Photons uniques à l`INSP
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Photons uniques à l’INSP ¾Nanostructures et Optique ¾Nanostructures et systèmes quantiques Photons uniques à l’INSP 9Qu’est ce qu’un photon unique? Agnès Maître 9Manipulation 9M i l ti d de l'é l'émission i i d de photons h t uniques i d de nanocristaux i t (régime de couplage faible, Temps de vie) L Laurent t Coolen C l 9Boîtes 9B ît quantiques ti à base b de d semiconducteurs i d t comme source de d photons uniques indiscernables (Régime de couplage fort, temps de cohérence) Valia Voliotis Qu’est-ce qu’un photon Unique 9Ondes et interférences Ondes de surface Ondes en optique 9Sources de photons uniques 9Onde ou particule? Une Onde Surface de l’eau Surface de l’eau, Instant donné épaisseur λ≈10 cm 0 T=1/ν épaisseur Université de Nantes Position x T≈1 s e= a cos((ωt-kx)) Endroit E d it d donné, é Temps varie 0 temps e λ≈ 650nm Qdots© (nm=10-9m) λ≈ 450nm Cham mp électrrique E Ondes en optique T≈10-15 s 0 X fixé temps Tmesure oeil 1/50 s : 1014 périodes Tmesure p photodiode ≈ 10-4 -10-9 s : 1011 p périodes E I=<|E|2>temps t mesure Réponse détecteur I Intensité α énergie I t Interférences de deux ondes A la surface de l’eau a cos((ωt)) 1 a cos((ωt)) 2 Des lieux d’amplitude maximum ϕ =0 : En phase Des lieux d’amplitude nulle temps temps ϕ =π : En opposition de phase Dépend du décalage temporel entre les deux ondes Interférences en optique Trous d’Young Une onde Onde plane trou Deux ondes: interférences Interféromètre de Mach-Zehnder 50/50 I0 Interférences constructives destructrives 50/50 x, ϕ proportionnels + + +- I1 2 I0 I0 I0/2 Interférences destructives constructives Franges d’interférences I2 1 ϕ ϕ I1 0 ϕ ϕ= =0 π/2 I2 I0/2 Faisceau intense/photons uniques Laser I Laser très atténué Photodiode I Photodiode 0 L Laser très t è atténué tté é I Photodiode à avalanche t t Comptage de photons 0 Photon: quanta d’énergie Source de photon unique idéale …. Reconnaître une source de photons uniques 50/50 1 Start Clic t 2 Stop Clic t Hanbury Brown, Hanbury, Brown Twiss Coincidences: histogramme des temps d’arrivée Sources de photons uniques Laser Qdots© Co oincidenc ces Nanocristaux CdSe/ZnS Délai (t2-t1) Sources de photon uniques ¾Nanocristaux CdSe/ZnS: solution très diluée Microscopie de fluorescence Nanocristaux déposés à la tournette Qdots© Excitation miroir dichroique Lampe UV Camera CCD ¾B ît quantiques ¾Boîtes ti I A /G A InAs/GaAs ¾Centres Colorés dans le diamant ¾Atomes Système à deux niveaux ¾Histoire d’un pétard 0) au repos 1) Apport 2) La mèche se consume 3) Le pétard explose d’énergie (pendant T en moyenne) ( en moyenne au temps T) 0Emission Emi ion d’une d’ ne onde sonore ono e ¾Histoire d’un système à 2 niveaux (Atome, nanocristal, boîte quantique,…) 3) Désexcitation 2) Etat excité (au bout de ≈T1) Energie e (durant ≈T1) Energie e 1) Apport d’énergie Energie E Energie e 0) fondamental …Photon émis T1 temps de vie Photons: Onde ou particule? Alain Aspect 86 Système à 2 niveaux Chemin A Clic - ϕ 1 Chemin B 2 Onde? P ti l ? Particule? Franges d’interférences 50/50 Pas d’interférences? Vincent Jacques (LPQM, 2007) Expérience à choix retardé Ene ergie J. F. Roch, V. Jacques (07) BS1 Lame escamotable Bras de l’interféromètre Le choix sur la présence de la lame, est fait après que le photon soit entré dans ll’interféromètre interféromètre Pas de lame: pas d’interférences Lame 50/50: Interférences Que faire avec des photons uniques? Beaucoup de choses passionnantes 9Cryptographie quantique... 9Contrôle de l’émission Laurent Coolen 9Photons indiscernables Valia Voliotis Manipulation de l'émission l émission de photons uniques de nanocristaux ; en régime de couplage faible Groupe « nanophotonique et optique quantique » Permanents : Carlos Barthou Barthou, Paul Benalloul Benalloul, Laurent Coolen Coolen, Jean-Marc Frigerio, Agnès Maître, Catherine Schwob Thésards / ATER : Amaury Avoine, Chérif Belacel, Hugo Frederich, Phan Ngoc Hong, Julien Laverdant Ancien membre : Céline Vion Nanocristaux de semi-conducteurs Structure typique : coquille de passivation (ZnS) CdSe (3 nm) synthèse chimique en solution commercialisé depuis 2003 (Invitrogen, Evident…) 1) cœur : Cd(CH3)2 + Se 360 °C C 2) coquille : Et2Zn + (TMS)2S 160 °C collaborations B Bubertret, B. Bubertret LPEM (Paris) (Paris), Pham Thu Nga, Nga IMS (Hanoi) échantillons CdSe/ZnS IMS confinement q quantique antiq e : la longueur d’onde dépend de la taille (bien contrôlée) émission de p photons uniques q à température p ambiante Observer un naocristal individuel > 1 µm manip. de microscopie confocale Céli Vi Céline Vion, A Agnès è M Maître ît interfaçage : Francis Breton, Sébastien Royer nanocristal lampe UV ou laser 400 nm ou : filtrage spatial excitation pulsée nanocristal individuel émission de p photons uniques q …p polarisée ? … dirigée ? … rapide ? Contrôle de l'émission lumineuse L’émission d’une particule dépend aussi de son environnement... émetteur dans le vide : émission possible à toutes les longueurs d’onde émetteur dans une cavité : modes résonants : émission uniquement dans les modes résonants ⇒ émission exaltée à résonance (en régime de couplage faible : effet Purcell : T1 diminue) ⇒ contrôle de la polarisation ⇒ contrôle de la direction Miroir métallique Reference : Surface d’or : or 80 nm Signal lumineux x 2,5 car : - (T1 plus grande) - meilleure collection caméra caméra mais beaucoup p d’énergie g p perdue dans l’or (modes plasmons de surface) ⇒ récupérer l’énergie des plasmons... thèse Céline Vion dépôt Stéphane Chenot ⇒ miroirs non métalliques Structures lithographiées ¾ Micropilier cavité miroir de Bragg : empilement périodique de couches SiO2 / TiO2 interférences constructives des ondes réfléchies 2,1 µm échantillon et image MEB : P. Senellart, LPN (Marcoussis) thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP) Structures lithographiées ¾ Micropilier ¾ Cristal photonique 2,1 µm couche mince avec réseau de trous périodique (lithographie électronique) cavité échantillon et image MEB : P. Senellart, LPN (Marcoussis) simulation FDTD (logiciel Meep, MIT) thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN LPN-INSP) INSP) échantillon : O. Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse) image AFM : Emmanuelle Lacaze thèse Amaury Avoine Structures lithographiées ¾ Micropilier ¾ Cristal photonique - émetteur en cavité à température ambiante - positionnement déterministe ⇒ pilier gravé autour du nanocristal (Dousse et al., Phys. Rev. Lett. 101, 267404) ⇒ nanoxérographie AFM (L. Ressier, LPCNO, Toulouse) 2,1 µm échantillon et image MEB : P. Senellart, LPN (Marcoussis) échantillon : O O. Gauthier-Lafaye Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse) image AFM : Emmanuelle Lacaze thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP) thèse Amaury Avoine Structures auto-assemblées ¾ Opales cristaux photoniques 3D empilement auto-organisé auto organisé de billes de silice de ~ 300 nm image MEB : IMS sédimentation Collaborations A. Gruzintsev, IMT (Russie) convection P. T. Nga (IMS, Hanoi) Langmuir-Blodgett (couche par couche) S. Ravaine, CRPP (Bordeaux) C. Mangeney (ITODYS, Paris) + Synthèse à l’INSP en démarrage (thèse Phan Ngoc Hong) Nanocristaux dans une opale de silice : augmentation de T1 mesurée de 9 % (thèse C. Vion) ⇒ nanocristaux à l’intérieur des billes : ⇒ cavité d’opales : effet de l’opale sur T1 simulation MPB P. Massé, S. Ravaine, CRPP Structures auto-assemblées ¾ Opales ¾Surfaces d'or périodiques énergie perdue sous forme de plasmons dépôt d’une couche d’or ((évaporation) p ) sur une opale p : thèse Hugo Frederich périodicité => plasmons couplés au champ radiatif récupération des modes plasmons échantillons : Roger Gohier, Mélanie Escudier AFM : Fangfang Wen MEB : Dominique Demaille vers la plasmonique quantique ? plasmons uniques… Kolesov et al., Nature Physics 5, 470 (2009) : dualité onde-corpuscule sur les plasmons Conclusion micropilier opale nanocristaux individuels photons uniques cristal photonique surface d’or - couplage nanocristal – structure photonique (ou plasmonique) - fabrication + caractérisation des structures + simulations - effets recherchés : variation de T1, polarisation, direction - plasmons uniques etc. Boîtes quantiques à base de semiconducteurs comme source de photons uniques indiscernables INSP Collaborations Valia Voliotis Roger Grousson LPN,, Marcoussis A.Lemaître, A. Martinez Alexandre Enderlin ((doctorant)) Catherine Tonin (doctorante) AIST,, NRI,, Japon p X. L. Wang Marco Ravaro ((post doc)) Boîtes quantiques auto-assemblées • Croissance par épitaxie par jets moléculaires • Formation de boîtes quantiques Boîtes quantiques auto-assemblées STM image of the (110) face of an InAs box-stack layer in GaAs (RPL,85,1068 (2000) • Boîte Quantique InAs/GaAs : cône tronqué en InAs h: quelques nm R: 10 nm Couche de GaAs Niveaux électroniques dans unequantiques boîte Niveaux électroniques dans les boîtes • Boîte quantique: Confinement spatial des porteurs à 3 D • Niveaux électroniques dans un atome L n =1 n =2 n =33 • Schéma simplifié des niveaux dans une boîte: E Une BQ est un «macro»-atome E1 1 hν E0 0 h ν = E1 − E 0 Système à deux niveaux Emission de lumière par une boîte • Excitation de la boîte par des impulsions laser • Processus absorption-émission absorption émission 1 0 Émission de photons uniques ⇒ Pistolet à photons indiscernables • Indiscernabilité des photons ⇔ mêmes caractéristiques - même fréquence (longueur d’onde) - même distribution spatiale (mode spatial du faisceau dans lequel se propage le photon) - même distribution temporelle (forme temporelle du paquet d’onde contenant le photon unique) - même état de polarisation Coalescence: interférence à deux photons • Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987): interférences à 2 photons indépendants Lame semi-réfléchissante (50/50) 1 photon Transmis (proba = ½) Réfléchi (proba = ½) 2 photons Les 4 chemins ont la même probabilité (1/4) • La Mécanique Quantique prédit: 9 interférences destructives entre les deux chemins croisés, 9 les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables Coalescence: interférence à deux photons • Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987): interférences à 2 photons indépendants Lame semi-réfléchissante (50/50) 1 photon Transmis (proba = ½) Réfléchi (proba = ½) 2 photons Les 4 chemins ont la même probabilité (1/4) • La Mécanique Quantique prédit: 9 interférences destructives entre les deux chemins croisés, 9 les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables Cohérence temporelle • La lumière émise par la boîte est quasi-monochromatique: I (ν) L’élargissement: Δν ≈ Δν ν0 1 Tc Tc est le « temps de cohérence » ν • Le temps de cohérence est lié à: - la durée de vie (recombinaison radiative radiative, T1) - l’interaction entre la boîte et son environnement (phonons) •1p photon: train d’onde Sauts de phase au bout de Tc Tc temps • Les photons uniques sont des trains d d’onde onde successifs successifs, émis avec une phase aléatoire ⇒ Perte de l’indiscernabilité à cause des mécanismes de décohérence Manipulation cohérente ¾ Amélioration de la génération de paires de photons indiscernables : contrôle cohérent en régime de couplage fort (thèse A. Enderlin) • Excitation de la boîte par deux impulsions laser: 9 résonantes (hν = E1 - E0), 9 ayant une relation de phase Δφ entre elles, et un délai δ δ, Δφ 1 ⇔ Tc le l plus l llong possible ibl 0 h ν = E1 − E 0 • Interaction boîte – lumière à la résonance: Luminescence BQs-InAs Boîte quantique dans un guide d’onde 1D ⇔ diminution de la durée de vie radiative, T1 ⇔ Tc ≈ T1 ≈ 200 ps Excitation Expérience de coalescence de deux photons (thèse de C. Tonin) Start (t 1) PDA Stop (t2) 50/50 1 0 PDA T T+τ Ligne à retard ¾ Contrôle de l’indiscernabilité des photons ¾ Test: expérience d’interférences à deux photons ¾ reste à résoudre: efficacité d’extraction des photons Conclusion • Sources à photons uniques à base de semiconducteurs 2 approches complémentaires: Nanocristaux en régime g de couplage p g faible Boîtes quantiques g de couplage p g fort en régime - Contrôle de l’émission spontanée grâce au couplage g p g à une cavité - Contrôle cohérent résonant grâce au couplage g p g à un g guide 1D Génération et extraction efficaces de photons uniques Génération de photons uniques indiscernables création d’états intriqués de photons • Applications en cryptographie et information quantique
