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

Centres colorés N-V du diamant
Centres colorés du diamant comme
sources de photons uniques
Centre N-V
(a)
Production de photons uniques (centre N-V)
V
N-V
NE8
(b)
N= Azote
V= Lacune
Mise en évidence
Principe
Centre coloré N-V unique
FWHM
~100 nm
N
FWHM
~2 nm
Centre NE8
(Ni-N-V)
Coïncidences
temporelles
600
650
700
750
800
850
50/50
presqu’aucune
coïncidence !
Niveau
fondamental
longueur d'onde (nm)
Ni
D2
Γ
N
N= Azote
Ni= Nickel
D1
Niveau excité
Spectre de photoluminescence des centres N-V et NE8
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.
Optimisation de l’efficacité de la source de photons uniques
Contrôle du diagramme de rayonnement et de la largeur spectrale de photoluminescence
Nanocristal de
diamant
polymère
(a)
n0 = 1
ON=0.95
Nanocristaux de diamant dans une microcavité diélectrique
0,1
Miroir LR (90%)
T≈0.15‰
T
!0
2
@ λ0=690nm
1E-3
1E-5
L=0.94λ0/4
1E-7
500
100
Miroir HR (99.99%)
FWHM=22 nm
80
60
40
20
0
600
700
800
Silice fondue
900
550
λ en nm
Nanocristaux de diamant déposés
sur miroir diélectrique
(b)
120
Nb de coups
Nanocristaux de diamant sur
miroir diélectrique
Photoluminescence d’un centre coloré unique dans la microcavité
Spectre théorique de transmission de la
microcavité en incidence normale
Nanocristaux de diamant dans
une microcavité monomode
600
650
700
Longueur d'onde (nm)
Puissance Durée
collectée
de vie
pour Pexc de l’état
=10.5 mW excité
(coups/s)
(ns)
FWHM du
spectre
d’émission
(nm)
nanocristal
sur miroir
140.105
23-25
70
nanocristal
en
microcavité
63.105
35
22
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).
Centre coloré N-V et spin unique
Porte échantillon isolé
mécaniquement: échantillon
désolidarise de l’armature cryogénique
par une pièce d’isolation thermique
(b)
Counts per Integration
Period
photoluminescence
(coups/20
ms)
(a)
Test de stabilité mécanique
Chambre
à vide
Doigt froid
m= ± 1
Tresses de cuivre
m= 0
Modèle de niveaux du centre N-V
600
500
400
300
300
200
200
100
" / < N > # 1.04
0
100
450
500
550
600
650
Counts per Integration Period
0
0
500
1000
Seconds(s)
temps
1500
2000
pas de vibrations critiques au
Pièce d’isolation thermique
Echantillon
700
 Le cryostat ne provoque
Moteur Piézo xy
Objectif de
Microscope
(extérieur)
P = 10-6 mbar, T=10 K
Montage optique et cryogénique
niveau de l’échantillon.
Téchant ~ 10 K
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.
CONTACTS: Jean-François ROCH ([email protected])
Philippe GRANGIER ([email protected])