Cavity quantum electrodynamics with carbon nanotubes

par Adrien Jeantet

Thèse de doctorat en Physique. Milieux denses et matériaux

Sous la direction de Christophe Voisin.

Soutenue le 31-03-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) et de Laboratoire Pierre Aigrain (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Maître.

Le jury était composé de Sara Ducci, Alexia Auffeves-Garnier.

Les rapporteurs étaient Ralph Krupke, Jean-Michel Gérard.

  • Titre traduit

    Électrodynamique quantique en cavité avec des nanotubes de carbone


  • Résumé

    Les nanotubes de carbone sont largement étudiés pour leurs propriétés mécaniques et électroniques étonnantes. Optiquement, ils sont d'excellents candidats pour les sources à un seul photon à la demande car ils peuvent être excités électriquement et ils peuvent émettre une lumière dégroupée à température ambiante dans les bandes de télécommunications. Cependant, leur efficacité d'émission est faible, les origines de l'émission restent peu claires et la forme spectrale de leur photoluminescence est compliquée.Dans ce travail, nous construisons une configuration originale combinant un microscope confocal et une micro-cavité à base de fibres optiques qui est à la fois spatialement et spectralement réglable. Avec ce dispositif, nous avons observé l'apparition des effets de l'électrodynamique quantique en cavité en analysant l'évolution du couplage dipôle-cavité en fonction du volume de la cavité. Nous avons obtenu une forte accélération du taux d'émission spontanée, grâce à des facteurs Purcell supérieurs à 100. L'efficacité effective associée de la source atteint jusqu'à 50%, conduisant à une luminosité jusqu'à 10%, tout en conservant d'excellentes caractéristiques de dégroupement.Nous observons l'effet du couplage de la cavité en fonction du désaccord de la cavité et développons un modèle pour tenir compte des émetteurs soumis au couplage exciton-phonon en présence d'une cavité. Nous montrons que notre source de photons uniques est accordable sur une gamme de fréquences plus de cent fois supérieure à la largeur spectrale de la cavité, ouvrant ainsi la voie à un multiplexage étendu.Un renforcement supplémentaire du couplage peut ouvrir la voie à la très riche physique des polaritons de cavité unidimensionnels. Inversement, les polaritons de cavité pourraient être un outil pour mieux comprendre la diffusion et les propriétés de localisation des excitons dans les nanotubes de carbone. Enfin, la configuration initiale ici est extrêmement polyvalente et pourrait être utilisée pour coupler d'autres types d'émetteurs, comme les nano-diamants ou les molécules.


  • Résumé

    Carbon nanotubes are extensively investigated for their amazing mechanical and electronic properties. Optically, they are excellent candidates for on-demand single-photon sources because they can be electrically excited and they can emit anti-bunched light at room temperature in the telecoms bands. However, their emission efficiency is low, its origins remain unclear and the spectral shape of their photoluminescence is complicated. In this work, we build an original setup combining a confocal microscope and a fiber based micro-cavity which is both spatially and spectrally tunable. With this device, we observed the rise of cavity quantum electrodynamics effects by analyzing the evolution of the dipole-cavity coupling as a function of the cavity volume. We obtained a strong acceleration of the spontaneous emission rate, due to Purcell factors above 100. The associated effective efficiency of the source reaches up to 50%, leading to a brightness of up to 10%, while keeping excellent anti-bunching features. We observe the effect of the cavity coupling as a function of the cavity detuning, and develop a model to account for emitters undergoing exciton-phonon coupling in the presence of a cavity. We show that our single-photon source is tunable on a range of frequencies more than a hundred times higher than the cavity spectral width, opening the way to extensive multiplexing. Further strengthening of the coupling may open the way to the very rich physics of one-dimensional cavity polaritons. And conversely, cavity polaritons could be a tool to understand better the diffusion, and localization properties of excitons in carbon nanotubes. Finally, the original setup build here is extremely versatile and could be used to coupled other types of emitters, such as nano-diamonds or molecules.


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