Source efficace de photons intriqués et indiscernables à la demande – IPOD

Le projet IPOD s’est finalement concentré sur le la question de l’accordabilité des sources de photons en développant un nouveau concept de nanocavité via la géométrie « nanopost ». Ce point est apparu comme un préalable indispensable à toute production de photon unique et/ou intriqué. Le partenaire PHELIQS a travaillé sur le design, la modélisation numérique et la fabrication de ces structures dont ils sont les inventeurs. Le partenaire NEEL, avec l’aide de PHELIQS, a étudié de façon fine les photons uniques émis par ces structures en caractérisant leur largeur de raie, et leur indiscernabilité.

En parallèle, nous avons aussi exploré l'accordabilité spectrales de boîtes quantiques intégrées dans une antenne à fil photonique grâce à une approche originale. Une série d'électrodes sur puce applique une force électrostatique sur le fil et le tord. La contrainte qui en résulte vient moduler l'énergie de bande interdite des boites quantiques et donc leur longueur d'onde d'émission. Cette stratégie d'actuation peut aussi être employée dans le régime dynamique, pour exciter des modes de vibrations du fil. Ceci a des applications importantes en nanomécanique, dans un autre champ thématique que celui d'IPOD.

1) Design, modélisation et fabrication des nanoposts (PHELIQS, en collaboration avec DTU)

Nous avons proposé et réalisé un nouveau type de nanocavité optique: le nanopost. Ce dernier offre un effet Purcell marqué (6) combiné à une bande passante remarquable (30 nm). Ces performances sont très prometteuses pour la réalisation de sources de photons uniques indiscernables accordables en longueur d'onde, ainsi que pour l'émission de paires de photons intriqués. Nous avons également conduit une étude détaillée du fonctionnement du nanopost.[M.A. Jacobsen et al, hal-0399619, S. Kotal et al, hal-03955891]

2) Spectroscopie laser résonante d’une boîte quantique dans un nanopost (NEEL, PHELIQS, en collaboration avec l’Université de Bâle)

Nous avons utilisé un laser continu pour exciter de manière résonante une seule BQ dans un nanopost et détecter sa fluorescence. Ceci a permis de caractériser très finement l'émission optique des BQ en combinant des balayages linéaires et des mesures de corrélation d'intensité, qui sont analysés conjointement à l'aide d'un modèle analytique. L'émission présente un antibunching prononcé (g(2)(0) = 0,02), proche de celui d'un système à deux niveaux idéal. Pour de faibles puissances d'excitation, la largeur de raie spectrale homogène (totale) est supérieure d'un facteur 1,4 (5) à la limite de Fourier. Combinés à de futures améliorations des dispositifs, ces résultats marquent une étape importante vers la réalisation de sources lumineuses largement accordables de photons uniques indiscernables. [M. Gaignard et al, hal-05157711, les thèses UGA de M. Gaignard, tel-04566266v1, et de M. Finazzer, tel-04662572v1 ]

3) Indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique dans une structure « nanopost » (NEEL, PHELIQS)

Le nanopost offre un effet Purcell significatif (jusqu'à 6) sur une large bande passante de fonctionnement (30 nm). Ce raccourcissement de la durée de vie de la boite quantique (BQ) permet de réduire sa sensibilité à la décohérence. Sous excitation pulsée quasi-résonante assistée par phonon, nous mesurons une excellente pureté d'émission (g2(0)=0.02), et une visibilité visibilité d'interférence qui dépasse 50% ce qui montre que les photons émis consécutivement, avec un retard de 2 ns, sont hautement indiscernables. Ces résultats, combinés à d'autres améliorations du dispositif, ouvrent la voie à la réalisation d'une source largement accordable de photons uniques et indiscernables. [M. Gaignard et al, article préparation, les thèses UGA de M. Gaignard, tel-04566266v1, et de M. Finazzer, tel-04662572v1]

Les résultats obtenus au cours du projet IPOD ont démontré tout l'intérêt de la géométrie « nanopost » pour l’extraction large-bande de photons émis par une boite quantique. Cette géométrie est notamment compatible avec une excellente réjection d’un laser résonnant par polarisation croisée, et permet donc l’excitation résonante de boites quantiques. En photonique quantique, ceci permet une caractérisation fine des propriétés optiques de la BQ.

Nous avons démontré pour la première fois une valeur d'indiscernabilité supérieure à 50% pour une BQ intégrée dans un nanopost. Cette valeur sera encore améliorée dans une seconde génération d'échantillons. Une première piste d'amélioration réside dans un meilleur positionnement vertical de la boite quantique dans le nanopost. En effet des travaux récents ont montré qu’il était plus avantageux de placer la boite quantique dans un ventre du mode fondamental de la cavité plus haut dans le nanopost. Ceci permet d'améliorer légèrement le facteur de Purcell et surtout de limiter le couplage aux vibrations thermiques du nanopost, qui est une source de décohérence importante pour l'émetteur. De plus, nous prévoyons d'intégrer des électrodes dans la structure, pour appliquer un champ électrique sur la BQ et limiter le bruit de charge. Enfin, nous avons très récemment démontré qu'un recuit thermique rapide des BQs permet d'accélérer très significativement leur émission spontanée. De nouveaux échantillons devraient être testés prochainement.