Electrodynamique quantique en cavité avec des nanotubes de carbone – NC2

Les nanotubes de carbone sont des émetteurs de lumière originaux qui suscitent des recherches tant fondamentales que technologiques. En effet, ils présentent un large choix de gaps couvrant les bandes télécom, un faible coût de production et l'émission de lumière -qui peut être excitée électriquement- y est due à des excitons robustes y compris à température ambiante. La plupart de ces propriétés résultent du confinement quantique unidimensionnel (1D) qui donne lieu à de nouvelles excitations élémentaires 1D et des interactions entre porteurs exacerbées. De récentes percées expérimentales ont révélé des effets originaux en raison de cette géométrie unique tels qu'un couplage exciton-phonon acoustique anormal induisant une décohérence non-markovienne, ou encore l'émission de photons uniques y compris à température ambiante... Grâce aux progrès remarquables dans la synthèse les nanotubes ont atteint maintenant la pleine maturité pour des expériences de pointe dans l'esprit de celles développées pour la précédente génération de nano-émetteurs semi-conducteurs avec la spécificité d'excitations électroniques allant de 0D à 1D. En particulier, les récentes percées dans le contrôle des processus de déphasage et de la localisation des excitons ouvrent la voie à des expériences originales dans le contexte de l'électrodynamique quantique en cavité (CQED). Le point clé est de parvenir à une amélioration drastique du couplage lumière-matière au moyen d'une micro-cavité optique accordable. Nous proposons une géométrie de cavités fibrées entièrement ajustables qui sont les mieux adaptées pour l'étude approfondie des effets CQED avec des nano-émetteurs non-épitaxiés. Les propriétés spécifiques des NTC ouvrent la voie à des effets originaux dans les deux grands régimes de la CQED:
(I) le régime de couplage faible régit par l'effet Purcell avec un taux accru d'émission de photons uniques dans un mode unique, qui constituera une véritable percée en termes de brillance de source, avec pour but ultime la réalisation d'une source accordable de photons uniques à haute efficacité avec excitation électrique dans le régime de blocage de Coulomb.
(II) le régime de couplage fort où les nouveaux états propres sont des polaritons -états mixtes photon-exciton- qui ont conduit à une multitude de nouveaux effets physiques de la géométrie 2D (condensation de polaritons...), mais dont l'étude est quasi vierge dans la géométrie 1D. Dans ce régime, nous attendons donc des résultats originaux, en particulier en raison des fortes interactions de Coulomb qui devraient induire d'énormes non-linéarités polaritoniques.
Pour ces objectifs, NC2 rassemble des spécialistes complémentaires de la photo-physique de nanotubes (LPA), des micro-cavités et de l'information quantique (LKB) et de la croissance et du transport électrique des nanotubes de carbone (NEEL).
Le point clé de NC2 est la conception d'une géométrie spécifique de cavité qui apporte une polyvalence sans précédent. En effet, les micro-cavités fibrées permettent de réaliser très simplement l'accord spectral et spatial et présentent une grande souplesse dans le contrôle du confinement optique, permettant un examen approfondi des effets CQED en fonction des propriétés intrinsèques de l'émetteur. Au début du projet nous utiliserons des nanotubes en matrice, facilement disponibles, mais les effets ultimes sont attendus avec des nanotubes suspendus dans le vide qui sont exempts des processus d'élargissement induits par l'environnement. Parmi les objectifs de NC2, nous soulignons l'étude de l'effet de « cavity feeding » qui exploite le déphasage pur d'émetteurs à l'état solide pour accorder la source de photons uniques en asservissant la fréquence de l'émetteur sur celle de la cavité. En outre, les nanotubes suspendus et leur très faible déphasage pur devraient mettre le régime de couplage fort à portée, et ouvrir la voie à l'observation d'effets physiques nouveaux comme les polaritons 1D en interaction forte.