Photons uniques à l’INSP

Nanostructures et Optique

Nanostructures et systèmes quantiques

Photons uniques à l’INSP

Qu’est ce qu’un photon unique?

M i l ti d l'é i i d h t i d i t

Agnès Maître

Manipulation de l'émission de photons uniques de nanocristaux (régime de couplage faible, Temps de vie)

L t C l

B ît ti à b d i d t d

Laurent Coolen

Boîtes quantiques à base de semiconducteurs comme source de photons uniques indiscernables

(Régime de couplage fort, temps de cohérence)

Valia Voliotis

Qu’est-ce qu’un photon Unique

Ondes et interférencesOndes de surfaceOndes de surfaceOndes en optique

Sources de photons uniques

Onde ou particule?Onde ou particule?

Une Onde

Surface de l’eau Surface de l’eau, Instant donné

λ≈10 cm

isse

ur

épa

Position x0

Université de Nantes T=1/ν

isse

ur T≈1 s

e= a cos(ωt-kx)E d it d é

temps0

épa ( )

Endroit donné,Temps varie

Ondes en optique

T≈10-15 s

rique

E

X fixé

e

mp é

lect

r

Qdots©

temps0

Cham

Qdots©

λ≈ 450nmλ≈ 650nm (nm=10-9m)

Tmesure oeil 1/50 s : 1014 périodesTmesure photodiode ≈ 10-4 -10-9 s : 1011 périodesmesure p p

E

tt

Réponse détecteur

I=<|E|2>temps mesure

tI I Intensité α énergie

Interférences de deux ondes

A la surface de l’eau

a cos(ωt)a cos(ωt) ( )( )1 2

Des lieux d’amplitude maximumDes lieux d’amplitude nulle

tempsϕ =0 : En phase

tempsϕ =0 : En phase ϕ =π : En opposition de phase

Dépend du décalage temporel entre les deux ondes

Interférences en optique

Trous d’Young

Une onde

Onde plane trou

Deux ondes: interférences

Interféromètre de Mach-Zehnder50/50

I0 ϕ =0ϕ =πϕ =π/2

50/50ϕ

I0

I1

Interférences constructives

ϕ =0Interférences destructrives

ϕ =πϕ =π/2

1

50/50++

+ -x, ϕ proportionnels

0I0/2

I

2

I2Interférences destructivesInterférences constructives

I0/2I1

Franges d’interférences

I

ϕI2

I0

2

ϕI0

Faisceau intense/photons uniques

ILaser

tPhotodiodeLaser très atténué

I

Photodiode t0

L t è tté éI

Laser très atténué Comptage de photons

Photodiodeà avalanche

0

Photon: quanta d’énergie

Source de photon unique idéale ….

Reconnaître une source de photons uniques

50/50

Clict

1Start

t

Clic2Stop

Hanbury Brown TwissClict

2 Hanbury, Brown, Twiss

Sources de photons uniquesCoincidences: histogramme des temps d’arrivée

ces

LaserNanocristaux CdSe/ZnS

oin

ciden

c

Qdots©

Co

Délai (t2-t1)

Sources de photon uniques

Microscopie de fluorescence

Nanocristaux CdSe/ZnS: solution très diluée

Nanocristaux déposés à la tournette

Excitationmiroir dichroique

Qdots©

Camera CCD

Lampe UV

B ît ti I A /G ABoîtes quantiques InAs/GaAs

Centres Colorés dans le diamant

Atomes

Système à deux niveauxHistoire d’un pétard

0) au repos 1) Apport d’énergie

2) La mèche se consume (pendant T en moyenne)

3) Le pétard explose( en moyenne au temps T)

Emi ion d’ ne onde ono e Emission d’une onde sonore

Histoire d’un système à 2 niveaux (Atome, nanocristal, boîte quantique,…)

e ee

0) fondamental 1) Apport d’énergie 2) Etat excité (durant ≈T1)

3) Désexcitation(au bout de ≈T1)

Ener

gie

Ener

gie

Ener

gie

Ener

gie

E

…Photon émis

T1 temps de vie

Photons: Onde ou particule?

Système à 2 niveaux Chemin A

Alain Aspect 86

-Clic

ϕ

1

Chemin B

ϕ

2Chemin B

P ti l ?Onde?

50/50

Particule? Franges d’interférences

Pas d’interférences?Vincent Jacques (LPQM, 2007)

Expérience à choix retardéer

gie

J. F. Roch, V. Jacques (07)

BS1

Ene

Bras de l’interféromètreLame

escamotableescamotable

Le choix sur la présence de la lame, est fait après que le photon soit entré dans l’interféromètre

Pas de lame: pas d’interférences Lame 50/50: Interférences

entré dans l interféromètre

Que faire avec des photons uniques?

Beaucoup de choses passionnantes

Cryptographie quantique...

Contrôle de l’émission

Laurent Coolen

Photons indiscernables

Valia Voliotis

Manipulation de l'émission de photons uniquesManipulation de l émission de photons uniquesde nanocristaux ; en régime de couplage faible

Groupe « nanophotonique et optique quantique »

Permanents :

Carlos Barthou Paul Benalloul Laurent CoolenCarlos Barthou, Paul Benalloul, Laurent Coolen, Jean-Marc Frigerio, Agnès Maître, Catherine Schwob

Thésards / ATER :

Amaury Avoine, Chérif Belacel, Hugo Frederich, Phan Ngoc Hong, Julien Laverdant

Ancien membre : Céline VionAncien membre : Céline Vion

Nanocristaux de semi-conducteurs

Structure typique :

CdSe

coquille de passivation (ZnS)

synthèse chimiqueen solution

commercialisé depuis 2003

1) cœur :Cd(CH3)2 + Se360 °C

2) coquille :Et2Zn + (TMS)2S160 °C

(3 nm)commercialisé depuis 2003(Invitrogen, Evident…)

collaborations B Bubertret LPEM (Paris) Pham Thu Nga IMS (Hanoi)

360 C 160 °C

B. Bubertret, LPEM (Paris), Pham Thu Nga, IMS (Hanoi)

confinement q antiq eéchantillons CdSe/ZnS IMS

confinement quantique : la longueur d’onde dépend de la taille (bien contrôlée)

émission de photons uniques à température ambiantep q p

Observer un naocristal individuel

nanocristal> 1 µm

lampe UVou manip. de microscopie confocale

Céli Vi A è M ît

ou :

nanocristal

laser 400 nmCéline Vion, Agnès Maîtreinterfaçage : Francis Breton, Sébastien Royer

individuelfiltrage spatial

émission de photons uniques … polarisée ?

excitation pulsée

p q p… dirigée ?… rapide ?

Contrôle de l'émission lumineuse

L’émission d’une particule dépend aussi de son environnement...

émetteur dans le vide :émission possible à toutes les longueurs d’onde

émetteur dans une cavité :émetteur dans une cavité :

modes résonants :

émission uniquement dans les modes résonantsémission uniquement dans les modes résonants

⇒ émission exaltée à résonance(en régime de couplage faible : effet Purcell : T1 diminue)⇒ contrôle de la polarisation⇒ contrôle de la direction

Miroir métallique

Reference : Surface d’or :

Signal lumineux x 2,5 car :80 nm

or

- (T1 plus grande)- meilleure collection

mais beaucoup d’énergie perduecaméra caméra p g pdans l’or (modes plasmons de surface)

caméra caméra

⇒ récupérer l’énergie des plasmons...

⇒ miroirs non métalliquesthèse Céline Viondépôt Stéphane Chenotdépôt Stéphane Chenot

Structures lithographiées

miroir de Bragg : empilement périodique de couches SiO / TiO

Micropilier

périodique de couches SiO2 / TiO2interférences constructives des ondes réfléchiescavité

2,1 µm

échantillon et image MEB :P. Senellart, LPN (Marcoussis)

thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP)

Structures lithographiées

Micropilier Cristal photonique

2,1 µmcouche mince avec réseau de trous périodique(lithographie électronique)

échantillon et image MEB :

cavité

échantillon et image MEB :P. Senellart, LPN (Marcoussis)

thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN INSP)

simulation FDTD(logiciel Meep, MIT)

(cotutelle LPN-INSP)

échantillon : O. Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse)image AFM : Emmanuelle Lacaze

thèse Amaury Avoine

Structures lithographiées

Micropilier Cristal photonique

émetteur en cavité à température ambiante- émetteur en cavité à température ambiante

- positionnement déterministe

⇒ pilier gravé autour du nanocristal ⇒ nanoxérographie AFM (Dousse et al., Phys. Rev. Lett. 101, 267404) (L. Ressier, LPCNO, Toulouse)

2,1 µm

échantillon échantillon : O Gauthier-Lafaye LAAS (Toulouse)échantillon et image MEB : P. Senellart, LPN (Marcoussis)

thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP)

échantillon : O. Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse)image AFM : Emmanuelle Lacaze

thèse Amaury Avoine

Structures auto-assemblées

cristaux photoniques 3Dempilement auto-organisé de billes de silice de ~ 300 nm

Opales

empilement auto organisé de billes de silice de 300 nm

image MEB : IMS

sédimentation convection Langmuir-Blodgett(couche par couche)Collaborations

A. Gruzintsev, P. T. Nga S. Ravaine, CRPP (Bordeaux) IMT (Russie) (IMS, Hanoi) C. Mangeney (ITODYS, Paris)

+ Synthèse à l’INSP en démarrage (thèse Phan Ngoc Hong)

Nanocristaux dans une opale de silice : augmentation de T1 mesurée de 9 % (thèse C. Vion)

⇒ nanocristaux à l’intérieur des billes : ⇒ cavitéd’opales :

effet de l’opalesur T1

simulation MPBP. Massé,

S. Ravaine, CRPP

Structures auto-assemblées

Opales Surfaces d'or périodiques

périodicité => plasmons couplés au champ radiatif

dépôt d’une couche d’or (évaporation) sur une opale :

énergie perdue sous forme de plasmons récupération des modes plasmons

échantillons : Roger Gohier, Mélanie Escudier( p ) p

thèse Hugo FrederichAFM : Fangfang Wen MEB : Dominique Demaille

vers la plasmonique quantique ?plasmons uniques…

Kolesov et al., Nature Physics 5, 470 (2009) : dualité onde-corpuscule sur les plasmons

Conclusion

micropilier opale

nanocristaux individuelsphotons uniques

cristal photonique surface d’or

- couplage nanocristal – structure photonique (ou plasmonique)- fabrication + caractérisation des structures + simulations- effets recherchés : variation de T1, polarisation, direction- plasmons uniques etc.

Boîtes quantiques à base de semiconducteursBoîtes quantiques à base de semiconducteurscomme source de photons uniques indiscernables

INSP

Valia Voliotis

Collaborations

LPN, MarcoussisRoger Grousson

Alexandre Enderlin (doctorant)

,A.Lemaître, A. Martinez

AIST, NRI, Japon( )Catherine Tonin (doctorante)

Marco Ravaro (post doc)

, , pX. L. Wang

( )

Boîtes quantiques auto-assemblées

• Croissance par épitaxie par jets moléculaires

• Formation de boîtes quantiques

Boîtes quantiques auto-assemblées

STM image of the (110) face of an InAs box-stack layer in GaAs

(RPL,85,1068 (2000)

• Boîte Quantique InAs/GaAs :cône tronqué en InAs

h: quelques nmR: 10 nmR: 10 nm

Couche de GaAs

Niveaux électroniques dans les boîtes quantiques Niveaux électroniques dans une boîte

• Boîte quantique:Confinement spatial des porteurs à 3 D

• Niveaux électroniques dans un atome

Ln =1

n =2

3

• Schéma simplifié des niveaux dans une boîte:

n =3

E

E

Une BQ est un «macro»-atome

Système à deux niveaux

1

0

E1

E0

hν0

01 EEh −=ν

0

Emission de lumière par une boîte

• Excitation de la boîtepar des impulsions laser

• Processus absorption-émission

1

Émission de photons uniques

par des impulsions laser absorption émission

0 ⇒ Pistolet à photons indiscernables

• Indiscernabilité des photons ⇔ mêmes caractéristiques- même fréquence

(longueur d’onde)- même distribution spatiale

(mode spatial du faisceau dans lequel se propage le photon)- même distribution temporelle

(forme temporelle du paquet d’onde contenant le photon unique)- même état de polarisation

Coalescence: interférence à deux photons

• Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987):interférences à 2 photons indépendants

Lame semi-réfléchissante (50/50)

1 photon Transmis (proba = ½)

Réfléchi (proba = ½)

2 photonsLes 4 chemins ont la même probabilité (1/4)

• La Mécanique Quantique prédit:interférences destructives entre les deux chemins croisés,les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lameles deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame

à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables

Coalescence: interférence à deux photons

• Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987):interférences à 2 photons indépendants

Lame semi-réfléchissante (50/50)

1 photon Transmis (proba = ½)

Réfléchi (proba = ½)

2 photonsLes 4 chemins ont la même probabilité (1/4)

• La Mécanique Quantique prédit:interférences destructives entre les deux chemins croisés,les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lameles deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame

à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables

Cohérence temporelle

• La lumière émise par la boîte est quasi-monochromatique:

I (ν) 1Δ

ν

ΔνL’élargissement:

cT≈Δν

Tc est le « temps de cohérence »

• Le temps de cohérence est lié à:- la durée de vie (recombinaison radiative T1)

νν0

la durée de vie (recombinaison radiative, T1)- l’interaction entre la boîte et son environnement (phonons)

Tc• 1 photon: train d’onde

temps

Sauts de phaseau bout de Tc

p

• Les photons uniques sont des trains d’onde successifs • Les photons uniques sont des trains d onde successifs, émis avec une phase aléatoire⇒ Perte de l’indiscernabilité à cause des mécanismes de décohérence

Manipulation cohérente

Amélioration de la génération de paires de photons indiscernables : contrôle cohérent en régime de couplage fort

(thèse A. Enderlin)

• Excitation de la boîte par deux impulsions laser: résonantes (hν = E1 - E0),ayant une relation de phase Δφ entre elles, et un délai δ

1

ayant une relation de phase Δφ entre elles, et un délai δ

δ, Δφ

l l l ibl

01 EEh −=ν 0⇔ Tc le plus long possible

Luminescence

• Interaction boîte – lumière à la résonance:

Boîte quantique dans un guide d’onde 1DBQs-InAs ⇔ diminution de la durée de vie radiative, T1

Excitation

⇔ Tc ≈ T1 ≈ 200 ps

Expérience de coalescence de deux photons

Start (t 1)

(thèse de C. Tonin)

PDAStop (t2)

50/50

PDA

1

PDA0T

T+τ

Ligne à retard

Contrôle de l’indiscernabilité des photons

Test: expérience d’interférences à deux photons

reste à résoudre: efficacité d’extraction des photons

Conclusion

• Sources à photons uniques à base de semiconducteurs2 approches complémentaires:2 approches complémentaires:

Nanocristaux en régime de couplage faible

Boîtes quantiquesen régime de couplage fortg p g

- Contrôle de l’émission spontanéegrâce au couplage à une cavité

g p g

- Contrôle cohérent résonant grâce au couplage à un guide 1Dg p g

Génération et extraction efficaces

g p g g

Génération de photons uniques de photons uniques indiscernables

création d’états intriqués de photons

• Applications en cryptographie et information quantique