Des sources de lumière quantique positionnées de façon contrôlée

Publié par Redbran le 19/06/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Les sources de lumière joueront un rôle essentiel dans les technologies quantiques émergentes, et parmi elles, les sources de photons uniques dans des matériaux cristallins. Dans ce contexte, en excitant un matériau bidimensionnel avec le faisceau d'un microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...), des chercheurs ont mis au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) de nouvelles sources prometteuses pour la réalisation de dispositifs à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), dont les propriétés spectrales sont homogènes et dont l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les...) spatial est contrôlé.


À gauche, image réalisée avec un microscope électronique d'un feuillet de nitrure de bore hexagonal de 60 nanomètres d'épaisseur. Les cercles indiquent les positions choisies pour activer des émetteurs quantiques.
À droite, cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...) réalisée avec un microscope confocal (Un microscope confocal est un microscope optique qui a la propriété de réaliser des...) de la luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...) du feuillet. Les zones en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) indiquent une émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) par les centres colorés. Il y a environ 15 émetteurs par impact du faisceau électronique.
© A. Delteil, GEMaC

Les particules de lumière, les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), permettent de véhiculer de l'information quantique à distance de façon très fidèle. Pour cette raison, les sources de photons uniques sont considérées comme une brique de base importante dans le cadre des technologies quantiques. L'intégration de telles sources dans une matrice solide permet d'envisager la réalisation de dispositifs à grande échelle. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) bidimensionnels (au même titre que le graphène) sont considérés depuis quelques années comme très prometteurs. On trouve parmi eux le nitrure de bore hexagonal.

C'est un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) lamellaire transparent à partir duquel on peut envisager de créer des dispositifs miniatures contrôlés à l'échelle ultime de quelques couches atomiques. Il est connu pour contenir des "centres colorés", des défauts cristallins émetteurs de photons uniques. Ces centres colorés présentent néanmoins l'inconvénient d'avoir des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) d'émission et des positions aléatoires dans le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...). Ces caractéristiques limitent leur utilisation pour l'information quantique, qui requiert des sources aux propriétés contrôlées et reproductibles.

Des physiciens du Groupe d'étude de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) condensée (GEMaC, CNRS/Université Versailles St-Quentin), en partenariat avec le Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'ENS (LPENS, CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Paris) et le NIMS (Japon), ont démontré l'existence d'une nouvelle famille de centres colorés dans le nitrure de bore hexagonal. Ces sources de photons uniques ont l'avantage d'émettre toutes à des longueurs d'onde très proches, ce qui est une propriété rare. De plus, ces émetteurs sont créés de façon localisée, par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec le faisceau d'un microscope électronique à balayage, ce qui permet de contrôler leur position à une échelle inférieure au micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.).

La prochaine étape est d'obtenir une seule source de photons par interaction avec le faisceau d'électrons. La voie sera alors ouverte à une intégration spatialement contrôlée de sources de photons uniques dans des dispositifs optiques tels que des guides d'onde ou des microcavités optiques: une nouvelle approche pour la réalisation de "puces quantiques" intégrées basées sur des photons uniques indiscernables. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communications.

Référence:
Position-controlled quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) emitters with reproducible emission wavelength in hexagonal boron nitride.
C. Fournier, A. Plaud, S. Roux, A. Pierret, M. Rosticher, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Buil, X. Quelin, J. Barjon, J.-P. Hermier et A. Delteil, Nature Communications, Publié le 18 juin 2021.
DOI: 10.1038/s41467-021-24019-6
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes hal et arxiv

Contacts:
- Aymeric Delteil - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) | Groupe d'étude de la matière condensée (GEMaC) - aymeric.delteil at uvsq.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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