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Des sources de photons uniques à l’échelle nano
Mai 2013
Des physiciens ont réalisé une source de photons uniques en excitant un centre
coloré d’un nanodiamant avec un faisceau électronique large d’un nanomètre.
Ce nouveau procédé d’excitation, d’une bien meilleure résolution spatiale
que l’excitation optique, ouvre la voie à l’étude d’émetteurs quantiques, en
particulier densément répartis.
De nombreux développements dans le domaine de l’information quantique
nécessitent de travailler avec des photons individuels. Une solution pour créer
les photons un par un est d’utiliser un émetteur quantique unique. Juste après
l’émission d’un photon, l’émetteur se retrouve dans son état fondamental et
n’émet le photon suivant qu’après un délai minimum, nécessaire à son retour
dans l’état excité et à une nouvelle émission. Pour éviter que plusieurs sources
ne soient simultanément activées, il est nécessaire que les émetteurs potentiels
soient plus espacés que la taille de la zone d’excitation. Des physiciens du
Laboratoire de Physique des Solides - LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud) viennent de
réaliser pour la première fois une source de photons uniques avec une résolution
spatiale nanométrique, c’est-à-dire bien plus ne qu’avec une excitation
optique. En plaçant un nanodiamant dans un microscope électronique, les
chercheurs ont excité un centre coloré avec un faisceau électronique intense
large d’un nanomètre. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters,
ouvre de nouvelles perspectives dans l’étude des propriétés quantiques de
l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique.
Les « centres colorés » sont d’une façon générale des défauts au sein de
cristaux qui en leur absence seraient transparents. L’un des plus connus dans
le diamant, qui lui donne lorsqu’il est présent une couleur jaune, est un défaut
résultant de la présence contiguë d’une lacune du cristal et d’un atome d’azote
remplaçant un atome de carbone. L’excitation par un faisceau laser d’un seul
de ces centres colorés a montré qu’il s’agit d’une source efcace de photons
uniques. Dans un nanodiamant, dont la taille est de quelques dizaines de
nanomètres, les centres colorés sont bien plus rapprochés que la longueur
d’onde de la lumière d’excitation et les méthodes optiques ne permettent pas
en général de sélectionner un seul d’entre eux. Pour pallier aux limites des
méthodes purement optiques, les physiciens du LPS ont utilisé un microscope
électronique. Un faisceau intense et très n d’électrons y est focalisé sur une
taille d’un nanomètre et excite le ou les centres colorés présents dans une
très petite région. Un système de collection de lumière efcace permet de
récupérer plus de 50 % de la lumière émise. Des détecteurs ultrarapides et
sufsamment sensibles pour compter les photons un à un permettent de
mesurer les corrélations entre l’émission de deux photons distincts. Cela
permet de déterminer s’il s’agit ou non d’une source de photons uniques.
Lorsqu’un grand nombre d’émetteurs quantiques sont présents, les photons
émis ne sont pas corrélés et tous les délais séparant deux photons sont
équiprobables. En revanche, avec un seul émetteur, deux photons ne peuvent
pas être émis simultanément et il faut attendre un délai minimum après la
détection d’un photon pour en détecter un second. En analysant cette
statistique de délais selon la position du faisceau d’électrons excitateur, les
physiciens ont localisé les centres colorés uniques au sein d’un nanocristal de
diamant. Ils ont notamment distingué la présence d’un centre coloré unique
séparé d’à peine plus d’une centaine de nanomètre d’une zone comportant
un plus grand nombre de centres au sein d’un même nanodiamant. Ce travail
ouvre de nouvelles perspectives dans l’étude d’émetteurs quantiques à
l’échelle nanométrique.
Spatially Resolved Quantum Nano-Optics of Single Photons Using an
Electron Microscope, L. H. G. Tizei et M. Kociak, Physical Review Letters,
110, 153604 (2013)
• Retrouvez l’article dans la base d’archives ouvertes arXiv
En savoir plus
Mathieu Kociak, directeur de recherche CNRS
Contact chercheur
•Laboratoire de Physique des Solides (LPS)
Informations complémentaires
a. Image en microscopie électronique en balayage à transmission (HADF-STEM)
d’une nanoparticule de diamant. Les électrons dans un STEM peuvent être
focalisés sur des zones plus petites qu’un nanomètre. La lumière émise après
excitation par des électrons (cathodoluminescence) peut être détectée en
fonction de la position de la sonde d’électrons.
b. Fonction d’autocorrélation du faisceaux lumineux pour deux positions du
faisceau d’électrons (cadres rouges et bleus sur a) ) séparés par 130 nm. La
forme en creux indique un état purement quantique, différent pour les deux
positions.