Optimisation de l`efficacité de la source de photons uniques Centres

Centres colorés N-V du diamant
Optimisation de l’efficacité de la source de photons uniques
Centres colorés du diamant comme
sources de photons uniques
Centre coloré N-V et spin unique
CONTACTS: Jean-François ROCH ([e-mail])
Philippe GRANGIER ([e-mail])
Objectif de
Microscope
(extérieur)
 Le cryostat ne provoque
pas de vibrations critiques au
niveau de l’échantillon.
Porte échantillon isolé
mécaniquement: échantillon
désolidarise de l’armature cryogénique
par une pièce d’isolation thermique
Téchant ~ 10 K
Le centre photoluminescent N-V est l’association d’un atome défaut interstitiel d’azote (N) avec une lacune (V) dans un site adjacent de la matrice cristalline de diamant. Excité par un laser de
longueur d’onde 532 nm, il émet de la lumière rouge - proche infrarouge (a). Ces émetteurs sont parfaitement photostables à température ambiante. Excités par des impulsions laser
courtes et intenses, un seul centre coloré N-V émet un seul et unique photon à la fois comme l’atteste l’histogramme des retards entre deux photons consécutivement détectés sur des
compteurs de photons D1 et D2 placés de part et d’autre d’une lame semi-réfléchissante (b). Nous avons mis en évidence de nouveaux centres colorés reposant sur l’association d’un atome
de nickel, de 4 atomes d’azote et de lacunes (centre NE8 (a)). Le spectre de photoluminescence du centre NE8 est très étroit et mieux adapté à la cryptographie quantique que le centre N-V.
223563.105
nanocristal
en
microcavité
7023-25140.105
nanocristal
sur miroir
FWHM du
spectre
d’émission
(nm)
Durée
de vie
de l’état
excité
(ns)
Puissance
collectée
pour Pexc
=10.5 mW
(coups/s)
Compte tenu de l’indice de réfraction élevé du diamant (2.4), une grande partie de la lumière émise par les centres colorés reste piégée à l’intérieur d’un diamant massif. L’utilisation de
nanocristaux de diamant d’une taille inférieure à la longueur d’onde permet de s’affranchir de cet effet. Les nanocristaux sont mis en solution dans un polymère et déposés sur un miroir
diélectrique ayant pour effet de rediriger la photoluminescence vers l’optique de collection (a). Un second miroir de plus faible réflectivité est positionné en face, pour former une microcavité
planaire asymétrique. La distance entre les deux miroirs est ajustée pour obtenir une microcavité monomode et résonnante pour la longueur d’onde optimale d’émission des centres colorés
N-V. Nous observons avec la microcavité un affinement du spectre d’émission conduisant à une augmentation de la densité spectrale de lumière collectée d’environ 20 % à la longueur
d’onde de résonance de la microcavité. Nous mesurons également une augmentation de la durée de vie de l’état excité (b).
120
100
80
60
40
20
0
Nb de coups
700650600550
Longueur d'onde (nm)
(b)
FWHM=22 nm
(a)
Le centre N-V possède une structure de spin triplet dans le niveau fondamental. L’état de spin peut être manipulé à l’aide d’un champ électromagnétique hyperfréquence. Sa détection est
effectuée par un diagnostic optique. La photoluminescence n’est en effet efficace que sur la transition z-z du modèle des niveaux représenté en (a), de sorte que la mesure de l’intensité de
photoluminescence donne directement l’état de spin du niveau fondamental. La durée de vie de l’état de spin est limitée par la décohérence d’autant plus lente que la température est faible.
Nous avons mis au point un montage de microscopie confocale dans lequel la température de l’échantillon est porté à 10 K à l’aide d’un cryostat à doigt froid (b). L’insensibilité du montage
aux vibrations mécaniques est excellente. Les études sur les spins uniques sont en cours.
m= ± 1
m= 0
Echantillon
Doigt froid
Pièce d’isolation thermique
Tresses de cuivre
Moteur Piézo xy
Chambre
à vide
(b)
P = 10-6 mbar, T=10 K
Test de stabilité mécanique
700
600
500
400
300
200
100
0
Counts per Integration Period
2000150010005000
Seconds
300
200
100
0
650600550500450
Counts per Integration Period
" /N> # 1.04
photoluminescence (coups/20 ms)
temps (s)
Montage optique et cryogénique
(a)
N
V
N= Azote
V= Lacune
Spectre de photoluminescence des centres N-V et NE8
(b)
presqu’aucune
coïncidence !
Principe
Niveau excité
Γ
Niveau
fondamental
Centre coloré N-V unique
Mise en évidence
50/50
D
D1
D
D2
Coïncidences
temporelles
Production de photons uniques (centre N-V)
Photoluminescence d’un centre coloré unique dans la microcavité
2
0
!
T≈0.15‰
@ λ0=690nm
Nanocristaux de diamant dans une microcavité diélectrique
Spectre théorique de transmission de la
microcavité en incidence normale
500 600 700 800 900
1E-7
1E-5
1E-3
0,1
λ
en nm
T
Miroir LR (90%)
Nanocristaux de diamant sur
miroir diélectrique
polymère ON=0.95
1
0=n
L=0.94λ0/4
Nanocristal de
diamant
Contrôle du diagramme de rayonnement et de la largeur spectrale de photoluminescence
(a)
Silice fondue
Modèle de niveaux du centre N-V
Centre N-V
850800750700650600
longueur d'onde (nm)
N-V NE8
FWHM
~100 nm
FWHM
~2 nm
Centre NE8
(Ni-N-V)
N
N= Azote
Ni= Nickel
Ni
Miroir HR (99.99%)
Nanocristaux de diamant déposés
sur miroir diélectrique
Nanocristaux de diamant dans
une microcavité monomode