Génération à la demande par voie optique d'un centre individuel NV. Couplage de cette source de photons uniques avec des structures photoniques pour des applications en optique quantique

par Gia long Ngo

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Ngoc Diep Lai.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces (laboratoire) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Une source idéale de photons uniques à la demande doit pouvoir émettre des photons uniques dans un mode donné du champ électromagnétique à un moment déterminé. Le centre coloré NV est un défaut ponctuel du diamant ayant des propriétés optoélectroniques remarquables avec un grand potentiel en tant que source de lumière aux propriétés quantiques. En outre, ce centre coloré peut être excité optiquement pour obtenir des états de spin électroniques cohérents, ce qui ouvre la voie à de nombreuses applications comme la détection quantique de la température, du champ électrique et magnétique, et ce avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Par rapport aux autres émetteurs quantiques, les centres NV dans le diamant sont parfaitement stables à température ambiante. Associé à son long temps de cohérence, cette photostabilité le rend très attractif pour le développement de technologies quantiques. Les centres colorés NV se trouvent dans le diamant naturel, mais ils peuvent également être créés artificiellement. Toutefois, pour que ces émetteurs quantiques puissent être utilisés pour des applications données, telles que l'information quantique, il faut une méthode spécifique et contrôlable permettant la création d'un seul ou d'un ensemble de centres, selon les besoins. Plusieurs techniques ont été proposées et démontrées. Les méthodes existantes impliquent l'irradiation de l'échantillon de diamant par des électrons ou des ions sous vide, ce qui induit des dommages résiduels sur le cristal. Récemment, des travaux ont montré la possibilité d'utiliser des impulsions laser femtosecondes comme une méthode alternative possible pour générer des centres NV. Cependant, il est difficile de créer un émetteur unique de façon reproductible et il n'existe pas de méthode pour tester la création d'un émetteur unique en temps réel. De nouvelles méthodes pour la fabrication des centres NV uniques restent donc à développer. En outre, des efforts importants ont été consacrés à la maîtrise des propriétés d'émetteurs individuels, notamment en les intégrant dans les dispositifs photoniques. La première motivation est l'amélioration de l'efficacité quantique et de la collection des photons. De plus, le contrôle et la manipulation du faisceau lumineux aux propriétés quantiques sont également très souhaitables pour les applications. Jusqu'à présent, diverses structures photoniques à une ou deux dimensions (1D et 2D), telles que des micro-piliers, des micro-disques et des micro-anneaux, ont été fabriquées dans des matériaux à indice de réfraction élevé. Bien que ces matériaux puissent offrir une bonne bande interdite photonique et une bonne réflexion totale interne pour confiner la lumière, leur emploi est limité par la complexité et le coût des méthodes de fabrication. Une autre approche consiste à utiliser des polymères pour fabriquer les structures souhaitées contenant des émetteurs quantiques, et ce avec la méthode d'écriture directe par laser pour obtenir une polymérisation via un processus à deux photons. Cependant, cette technique est elle aussi assez coûteuse et compliquée à mettre en œuvre. À l'université Paris-Saclay, nous avons réalisé de nombreuses études sur les propriétés optiques et magnétiques des centres colorés NV. Récemment, dans le cadre de la collaboration entre les laboratoires LUMIN et GEMaC, nous avons aussi développé une technique robuste pour réaliser des structures photoniques submicrométriques en 3D, qui a permis d'intégrer avec succès un émetteur quantique individuel (un nanocristal semi-conducteur obtenu par synthèse colloïdale) dans des structures photoniques à base de polymères. Ces démonstrations nous motivent à travailler sur le couplage de centres NV avec des structures photoniques, pour mener à bien des expériences d'optique quantique et développer des dispositifs quantiques fonctionnant à température ambiante.

  • Titre traduit

    Direct laser writing of solid-state single photon sources and their coupling into polymer-based photonic structures for quantum devices and quantum experiments


  • Résumé

    Context: An ideal on-demand single-photon source should be able to emit single photons in a given mode of the electromagnetic field at a specified time. Nitrogen-vacancy (NV) centre is a unique point defect in diamond having remarkable optoelectronic properties with a great potential for quantum light source. Moreover, the NV color center can be optically addressed for coherent electronic spin states, which pave the way for many applications for quantum sensing of electric, magnetic and temperature with nanoscale spatial resolution. Its long coherence time also makes it very attractive for quantum technologies. As compared to other quantum emitters, NV centers in diamond are perfectly stable at room temperature, making this quantum source as an ideal candidate for quantum applications. The NV color centers can be found in natural diamond, but it can be also created artificially in mass quantity. However, in order to apply these quantum emitters for specific applications, such as quantum information, it requires a specific and controllable way allowing creation of a single or an array of single NV color centers as desired. Several techniques have been proposed and demonstrated. The existing methods involve irradiation of diamond sample with electrons or ions in vacuum conditions, which induces residual damage to crystal. Recently, femtoseconds pulses have been demonstrated as possible alternative method to realize NV centres. However, it is hard to create single-emitter with high fidelity and there is no method to test the creation of single emitter in real-time. This requires new methods to fabricate single NV centres in ambient conditions on demand and in arbitrary patterns with real-time testing. Besides, significant efforts have been devoted to achieve the control of the single emitter properties especially in integrated photonic devices. The first motivation is the improvements of quantum efficiency and photon collection. In addition, the control and manipulation of quantum light beam are also highly desirable for quantum applications. Up to date, various one- and two-dimensional (1D and 2D) photonic structures such as micro-pillars, micro-disks and micro-rings have been fabricated in materials having high refractive index. Although, these materials can provide a good photonic band-gap and good total internal reflection to confine light, they are limited by complex procedure as well as expensive fabrication methods. An alternative way to address this issue consists in using curable polymers to fabricate desired structures containing quantum emitters with two-photon polymerization direct laser writing method. However, this technique is quite expensive and complicated. A simple but robust technique is required to couple a single or an array of NV color centers to arbitrary photonic structures, in order to optimize their quantum properties as well as for manipulation of the quantum light source. At University Paris-Saclay, the former LPQM and Aimé-Cotton laboratories have done a lot of studies of the optical and magnetic properties of NV color centers. Recently, in frame of the collaboration between the LUMIN and GEMaC labs, we have developed a robust technique to realize 3D submicrometer photonic structure, which allowed successfully integrating a single quantum emitter (a colloidal semiconductor quantum dot) into polymer-based photonic structures. These demonstrations motivate us to work with coupling of NV color in diamond and photonic structures, which are very promising and attractive for quantum experiment and quantum applications at room temperature. Goals: This PhD project aims to solve two important challenges by first using pulsed laser beam coupled with a dynamic characterization system to create/weld single NV color centers in solids at desired location with nanoscale spatial resolution, serving as quantum light source. Second, by using a low one-photon absorption based direct laser writing technique for efficient coupling of single-photons to polymer-based photonic structures for creating functional quantum devices and quantum experiments. The project will be realized conjointly between the LUMIN and GEMaC labs, who have expertise in creation of quantum emitter by laser method as well as microstructuration of photonic structures and quantum optics. Method: In order to realize this project, different tasks should be realized, in collaboration with different laboratories of the University of Paris-Saclay, for example, LUMIN (ENS PS), GEMaC (UVSQ), C2N (CNRS). 1. Demonstration of creation of single emitter by a direct laser writing. 2. Design and fabrication of polymer-based photonic structures coupled to a single emitter at a desired position. 3. Study of the coupling of photonic structures and the quantum emitter and demonstration of the optical properties enhancement of the quantum light source. 4. Demonstration of optical manipulation of single photon source by a 3D photonic crystal. 5. Realization of some quantum experiments, such as double-slit interference and Mach-Zehnder interferometer at microscale. For all these studies, the original LOPA-based microscopy technique plays a central role, warranting synergy and emulation. This technique is very simple and low cost, but may be a unique one to achieve these controlled couplings. This setup will be optimized by adding a pulsed laser and an autocorrelation system for single emitter generation.