Boite quantique de graphene en nano-cavité diélectrique – DELICACY

Les cavités optiques ont été étudiées et utilisées dans de nombreux contextes. Des cavités miniaturisées peuvent être trouvées dans les diodes laser et des cavités de plusieurs km de long dans les expériences sur les ondes gravitationnelles. Elles sont également apparues comme étant des outils fondamentaux pour contrôler l'interaction lumière-matière à un niveau sans précédent dans le cadre de l’électro-dynamique quantique en cavité (cQED). La conception de nouvelles cavités reste un domaine de recherche actif, principalement pour améliorer les interactions lumière-matière linéaires ou non linéaires. Au niveau d'un seul (ou de quelques) émetteurs, l'interaction lumière-matière peut être grandement améliorée avec des cavités optiques à fort facteur de qualité (Q) et à petit volume de mode (V), avec plusieurs applications telles que les nano-lasers, l’optique non linéaire à faible puissance, la détection ultra-sensible de molécules biologiques, la cryptographie ou le calcul quantiques... L’intensité de ces effets évolue généralement comme le rapport Q/V, où le facteur de qualité effectif (Q) est le plus faible de ceux de la cavité et de l'émetteur. Deux principales approches ont émergé pour maximiser les effets de cavité: l'approche plasmonique où V peut être extrêmement petit, mais aux dépens de Q à cause des pertes dans les métaux, et l'approche diélectrique où V est limité par diffraction à une fraction de ?^3 mais avec des valeurs de Q très élevées. La réalisation d'une cavité optique combinant à la fois un volume de mode fortement sub-longueur d'onde et un facteur de qualité élevé est actuellement un challenge ouvert de la photonique qui donnerait accès à de nouveaux régimes d'interaction lumière-matière et ouvrirait la porte à une nouvelle physique. C’est le premier objectif de DELICACY.
Dans le cadre de la cQED, les nano-cavités montrent tout leur potentiel lorsqu'elles sont couplées à un nano-émetteur quantique individuel. Le couplage déterministe d'un nano-émetteur à une cavité est généralement une tâche difficile, qui est parfois résolue par essais et erreurs, nécessitant la fabrication d'un grand nombre de dispositifs. Ici, nous abordons ce défi par une approche déterministe : la géométrie de la cavité est conçue dès le départ pour être la plus flexible possible pour un couplage efficace à l'émetteur. Dans ce but, l'architecture de la cavité sera basée sur une cavité fibrée flexible Fabry Perot (FFP). Pour atteindre le volume de mode sub-diffraction, une nano-antenne purement diélectrique qui agit comme un «concentrateur» de champ sera intégrée au centre de la cavité.
Le deuxième objectif du projet DELICACY est de coupler efficacement un nano-émetteur unique à cette cavité flexible innovante, combinant un facteur de qualité élevé et un volume de mode profondément sub-diffraction. Parmi le vaste choix d'émetteurs quantiques possibles, des atomes froids aux défauts à l'état solide, les boites quantiques de graphène (GQD), synthétisés via l'approche bottom-up, apparaissent comme un nouvel acteur qui combine une forte brillance, un fonctionnement à température ambiante, ainsi qu'un grand potentiel en termes de contrôle des propriétés intrinsèques et d'adaptabilité vers une application ciblée, grâce à la flexibilité de la synthèse chimique.
Pour illustrer la puissance de ce système innovant, nous proposons de démontrer la réalisation d'une source de photons uniques accordable efficace et à température ambiante, d'effectuer une spectroscopie d'absorption très sensible sur molécule unique et d'atteindre le régime de couplage fort.
Pour ces objectifs, DELICACY réunit des spécialistes complémentaires en synthèse chimique (CEA-NIMBE), photo-physique des nano-objets (LUMIN) et micro-cavités et cQED avec nano-émetteurs (LPENS).