Propriétés optiques quantiques de nanocristaux individuels couplés de façon déterministe à un micropilier diélectrique – PONIMI

Le projet considère le couplage d’un nano-émetteur fluorescent individuel à une cavité optique. Les émetteurs considérés sont des nanocristaux colloïdaux, dont l’émission peut être accordée dans tous le domaine visible et pour lesquels l’émission de photons uniques a été démontrée à températures ambiante comme cryogénique. L’utilisation d’une nouvelle génération de nanocristaux constitués d’un cœur de CdSe et d’une coquille épaisse de CdS assurera la photostabilité (absence de scintillement) nécessaire au projet. Une étude approfondie de ces nanocristaux sera réalisée : propriétés spectrales à basse température (cohérence, diffusion spectrale), nature du niveau émetteur (dipôle simple ou double) et polarisation d’émission. Les cavités utilisées seront des micropiliers d’un diamètre de quelques microns, à base de miroirs de Bragg de SiO2/TiO2.

Le contrôle « déterministe » de l’accord spatial et spectral entre l’émetteur et le mode de la cavité est une question cruciale. Une méthode efficace a été démontrée en 2008 pour coupler une boîte quantique à un micropilier. Elle consiste à repérer, par microscopie de fluorescence, un émetteur dans une cavité planaire (miroir de Bragg) recouverte d’une résine photosensible ; puis à insoler in situ un disque, de diamètre contrôlé via la durée d’exposition et choisi pour que le mode du pilier soit résonant avec l’émetteur ; et enfin, par une suite de révélations et de gravures, à creuser le pilier. Au cours du projet, cette activité de fabrication sera mise en place à l’Institut des NanoSciences de Paris, avec des adaptations importantes (choix des matériaux, de la résine, des conditions d’insolation…) pour l’appliquer aux nanocristaux colloïdaux.

Le couplage faible entre le nanocristal et le micropilier sera mis en évidence via une modification du temps de vie du niveau émetteur (effet Purcell). En jouant sur la largeur d’émission, grâce à la large gamme de températures accessibles avec les nanocristaux, le rôle de la décohérence et des phonons dans le couplage hors-résonance sera analysé. Ce point, spécifique à l’électrodynamique quantique en cavité en milieu solide, est encore mal connu pour les boîtes quantiques et peut être mis à profit afin d’assouplir la condition d’accord spectral. Enfin, les propriétés de cohérence de l’émission seront caractérisées et des expériences d’interférences à deux photons seront réalisées.