Optique quantique avec les centres colorés du diamant.

par Louis Nicolas

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Philippe Roussignol et de Gabriel Hétet.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Pierre Aigrain (Paris) (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    De nombreux groupes de recherche travaillent sur des techniques promettant un couplage fort et contrôlé entre des atomes uniques et le champ électromagnétique. Dans cette optique, les centres colorés du diamant sont des atomes artificiels très prometteurs. Pouvant être facilement isolés au sein d'une matrice de diamant par microscopie confocale, ils sont parfaitement photo-stables et ceci même à température ambiante. De plus, parmi les centres colorés répertoriés, le spin électronique dans le niveau fondamental du centre NV (nitrogen- vacancy) peut être utilisé comme bit quantique avec des temps de cohérences très longs pour un système de la matière condensée. Des chercheurs ont ainsi pu utiliser son état de spin pour réaliser l'intrication de plusieurs spin dans le diamant. Un autre centre coloré, le centre SiV (silicon vacancy), fait également l'objet d'études poussées actuellement. L'intérêt principal de ce dernier est le couplage très faible de sa luminescence avec les phonons du diamant (facteur de Debye-Waller élevé) ce qui présente un fort intérêt pour l'optique quantique. Ce projet se propose de réaliser des expériences d'optique quantique avec ces deux types de défauts ponctuels du diamant. Nous nous inspirerons pour ce faire des expériences récentes faites sur des ions piégés et des molécules uniques. Le projet se propose d'engager une étude approfondie des propriétés électroniques et optiques de centres colorés uniques couplés à des lentilles et miroirs à très forte ouverture numérique. Les photons uniques émis par les centres colorés seront collectés par deux objectifs d'ouverture numérique (ON) proche de 0.9 insérés dans un cryostat (4K). Ce système optique sera mis à profit pour toutes les expériences du projet en adaptant les optiques pour les longueurs d'onde correspondant aux deux centres colorés. Tout d'abord, ce système sera utilisé pour mesurer l'absorption de photons uniques par un centre SiV unique. Ce type d'expériences présente un enjeu majeur en optique quantique et pour la communication quantique, qui repose sur la possibilité d'échanger efficacement de l'information entre photons et atomes. Plusieurs plateformes sont envisagées pour réaliser un tel couplage. Les systèmes comprenant des atomes uniques interagissant avec des modes de cavités optiques à grande finesse semblent, à l'heure actuelle, être les plus performants mais ils sont réputés difficiles à mettre en oeuvre. Les expériences menées sur les ions ou les atomes uniques couplés à des champs laser en simple passage sont encourageantes, mais se heurtent à la difficulté de positionner les objectifs proches des ions ou à localiser les atomes au point focal du système optique. Tout comme pour les molécules uniques ou les boîtes quantiques, où d'excellentes absorptions de photons uniques (autour de 10%) ont été démontrées en simple passage, les centres colorés du diamant offriraient un très bon recouvrement des modes spatiaux du mode incident et du rayonnement diffusée et une très bonne localisation de l'atome. En outre, le centre SiV du diamant possède un facteur de Debye-Waller trois fois plus élevé que celui des molécules uniques, ce qui devrait améliorer l'absorption par ce même facteur. Nous allons ensuite étudier le comportement d'un centre coloré au point focal d'une demi-cavité. Dans cette expérience, la fluorescence du centre coloré est rétro-réfléchie sur lui-même par un miroir distant placé sur une cale piézo-électrique. Il se forme alors une onde stationnaire dont le contraste peut être mesuré en scannant le miroir et en mesurant la fluorescence avec l'APD. Ce système expérimental offre de nombreuses perspectives. D'une part, il augmenterait l'efficacité de collection de la lumière d'un facteur 4 et il permettrait de caractériser les centres sur des zones dépassant les limites de résolution optique (diffraction). Nous pourrons ainsi explorer aisément leur structure à des échelles inférieures à la longueur d'onde. D'autre part, cette «demi-cavité» permet d'envisager des expériences originales en électrodynamique quantique. La densité locale des modes du champ autour du point focal est en effet fortement modifiée même si la distance entre le miroir et l'atome est de plusieurs centimètres. Nous pourrons alors mesurer avec précision des effets d'électrodynamique quantique qui ont été observés avec les atomes uniques, tels que la modification du déplacement de Lamb de l'état excité ou de l'émission spontanée du centre coloré. L'observation de la modification du déplacement de Lamb par des miroirs distants a été faite pour des atomes uniques mais, à notre connaissance, pas sur un système à l'état solide. Il a, par ailleurs, été prédit que l'émission spontanée et le déplacement de Lamb peuvent être annulés avec un système d'ouverture numérique proche de l'unité même avec un miroir en champ lointain. Avec cette expérience, nous avons la possibilité de nous approcher de ce régime et ainsi de pouvoir contrôler complètement l'environnement électromagnétique du centre coloré.

  • Titre traduit

    Quantum optics with diamond color centers


  • Résumé

    We want to highlight the modification of the spontaneous emission rate of a single two level system placed in half cavity composed by a mirror and a high numerical aperture lens. We use diamond colored centers as two level systems instead of levitating atoms or ions because it enables us to use high numerical aperture lenses.