Nanscopie cohérente en champ lointain d'émetteurs de photons uniques – FINDING

La spectroscopie optique nonlinéaire et cohérente, tel que le mélange à quatre ondes, est un outil très puissant. Il permet, de sonder les cohérences électroniques, de manipuler les états quantiques, et d'explorer les interactions entre les nanosystèmes et leur environnent. D'autre part, le degrés d'exploration et de manipulation augmente de concert avec la réduction de la zone spatiale sondée lors d'une expérience. De la biologie à la physique de la matière condensée, la microscopie optique en champ lointain est l’outil le plus utilisé pour l'imagerie et la spectroscopie. Cependant, la résolution spatiale est limitée par diffraction, imposant une barrière de l'ordre du micromètre pour la lumière visible. La méthode de déplétion par émission stimulée (STED) a été développée afin de dépasser cette limite. Cette technique permet d'atteindre des résolutions latérale et axiale comprises typiquement entre 20 nm et 70 nm.
L'objectif du projet s'appuie sur le développement d'une approche expérimentale unique permettant de coupler ces deux techniques : spectroscopie cohérente et super-résolution, dans le but de réaliser des expériences résolues en temps de mélange à quatre ondes (MQO) avec une résolution spatiale sans précédent.
La spectroscopie de MQO est basée sur un montage d'hétérodynage optique permettant de sonder le signal cohérent par interférométrie spectrale à la limite de diffraction. La résolution spatiale nanométrique sera obtenue par le développement d'une méthode originale de super-résolution basée sur des faisceaux optiques de forme torique. À la différence de la technique STED, la méthode proposée ici s'appuie sur la suppression (ou le basculement) des cohérences électroniques
Premièrement ce dispositif expérimental original sera façonné pour l'étude des boites quantiques (BQ) uniques apparaissant dans les les matériaux 2D tels que les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition et de nitrure de bore. L'objectif est double. D'une part, ces systèmes présentent les critères requis pour démontrer la faisabilité de la méthode proposée. D'autre part, les BQs de matériaux 2D sont des systèmes très prometteurs pour le traitement quantique de l'information. En effet, ils héritent des propriétés uniques des matériaux 2D, et présentent potentiellement un comportement quantique à température ambiante, propriété essentielle pour le développement de technologies quantiques. Notre approche expérimentale permettra d'explorer et de manipuler les propriétés dynamiques et quantiques intrinsèques de ces systèmes qui demeurent inaccessibles via les méthodes optiques limitées par diffraction.
En particulier nous explorerons les questions suivantes :
i) Quel est le rôle de l’environnement (mécanique, chimique et électrostatique) dans les processus de décohérence d'une BQ ? Et peut-on l'optimiser?
ii) Comment évoluent les propriétés quantiques de ces systèmes avec la température?
iii) Peut-on adresser et manipuler des couplages cohérents entre BQs uniques?

En perspective, cette spectroscopie originale pourra être mise à profit pour explorer les propriétés quantiques à l'échelle nanométrique de nombreux systèmes prometteurs tels que les centre colorés du diamant ou les boites quantiques colloïdales.
Au delà de la physique des semiconducteurs, cette nouvelle spectroscopie devrait stimuler des nouvelles voies d'exploration en biophysique et en bio-imagerie. En effet de récentes études ont mis en lumière le rôle de la cohérence dans les systèmes biologiques, démontrant, d'une part, que la superposition quantique électronique peut être robuste face au désordre et aux fluctuations, et d'autre part, qu'elle peut potentiellement ouvrir une nouvelle voie d'optimisation des propriétés fonctionnelles. Ainsi la nanoscopie cohérente permettrait d'étudier voire de manipuler le rôle de la cohérence dans les processus photophysiques de systèmes moléculaires complexes.