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Des sources de photons uniques à l’échelle nano


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 fine 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 efficace 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 fin 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 efficace permet de récupérer plus de 50 % de la lumière émise. Des détecteurs ultrarapides et suffisamment 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.


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.

Reference :

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)

Contact :

Mathieu Kociak (mathieu.kociak@u-psud.fr)