Blanc SIMI 8 - Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Matériaux aléatoires à long temps de cohérence optique – RAMACO

COHERENCE QUANTIQUE DANS DES NANOCRISTAUX ET CERAMIQUES DOPES TERRES RARES

L'objectif de RAMACO est le développement de matériaux à structure aléatoire possédant de longs temps de cohérence optique.

Développement de nanoparticules et de céramiques transparentes dopées terres rares et possédant de longs temps de cohérence optique

Les longs temps de cohérence optique étaient jusqu`à présent limités aux monocristaux massifs, ce qui limite les matériaux disponibles, et de façon plus importante, la conception de systèmes sur une échelle allant du nano- au macroscopique. L'objectif de ce projet était de développer une nouvelle classe de matériaux à longs temps de cohérence optique: des composés polycristallins dopés terres rares, sous forme de nanoparticules ou de céramiques transparentes, qui pourraient remplacer les monocristaux dans les domaines de l'information quantique, de l'analyse de signaux radar, de l'imagerie médicale ou des lasers ultra-stables. Les nanoparticules permettraient par exemple le calcul quantique sur des ions uniques tandis que les céramiques transparentes peuvent être utilisées pour produire des échantillons de grands volumes pour lesquels la croissance de monocristaux est très difficile. Nos travaux ont portés sur l'identification des processus limitant la cohérence et le développement de procédés de synthèse pour obtenir des échantillons de haute qualité cristalline et performants. Nos résultats très prometteurs ouvrent la voie à de nouvelles fonctionnalités dans les technologies quantiques et la métrologie.

Le projet s'est focalisé sur le système Eu3+:Y2O3 qui peut être synthétisé à la fois sous forme de nanoparticules et de céramiques transparentes. La possibilité de tester différentes méthodes d'élaboration a permis une étude approfondie des mécanismes de décohérence dans ces cristaux liés aux défauts, impuretés ou taille des domaines cristallins. Les meilleurs résultats ont été obtenus par précipitation homogène pour les particules et pressage isostatique à chaud pour les céramiques. Les études optiques ont été principalement réalisées par spectroscopie cohérente et à haute résolution, à la température de l'hélium liquide. La technique des échos de photons, analogue de l'écho de spin largement utilisé en résonance magnétique nucléaire, a été particulièrement utile. Ces expériences ont été complétées par des mesures de résonance paramagnétique électronique, de thermoluminescence et de fluorescence destinées à identifier les défauts présents dans les échantillons. L'étude de la formation d'échos de photons en milieu diffusant a été conduite par simulation numérique et calculs analytiques.

Le résultat majeur de ce projet est l'émergence des matériaux polycristallins dopés terres rares comme nouveaux systèmes à longs temps de cohérence optique. Nous avons obtenus des nanocristaux dont les propriétés optiques sont inégalées à cette échelle en terme de temps de cohérence, quel que soit le système considéré. Les céramiques atteignent des performances très proches des monocristaux. Le défi à venir sera d'inclure ces matériaux dans des dispositifs permettant d'obtenir de nouvelles fonctionnalités en traitement quantique de l'information, analyse de signaux hyperfréquences, imagerie optique médicale et métrologie laser.

Ce projet ouvre de nouvelles perspectives pour les applications des matériaux dopés par des terres rares utilisant les propriétés de cohérence: information quantique, analyse de signaux radar, tomographie optique par ultra-sons ou lasers ultra-stables. De plus, ces systèmes permettront d'étudier de nouveaux phénomènes dans les milieux aléatoires alliant propagation de la lumière et cohérence atomique. La flexibilité de conception offerte par les matériaux polycristallins pourra non seulement être bénéfique aux applications existantes mais aussi en initier de nouvelles.

T. Chanelière, A. Louchet-Chauvet, A. Ferrier, P. Goldner, «Cristaux et dispositifs optiques pour le traitement de l'information quantique«, Techniques de l'Ingénieur, e6367 (2014)

A. Perrot, P. Goldner, D. Giaume, M. Lovric, C. Andriamiadamanana, R. R. Gonçalves, and A. Ferrier, «Narrow Optical Homogeneous Linewidths in Rare Earth Doped Nanocrystals,« Phys. Rev. Lett. 111, 203601 (2013)

P. Goldner, A. Ferrier, and O. Guillot-Noël, «Rare Earth-Doped Crystals for Quantum Information Processing,« in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, J.-C. G. Bünzli and V. K. Pecharsky, eds. (Elsevier, 2015), Vol. 46, pp. 1–78.

K. J. Tielrooij, L. Orona, A. Ferrier, M. Badioli, G. Navickaite, S. Coop, S. Nanot, B. Kalinic, T. Cesca, L. Gaudreau, Q. Ma, A. Centeno, A. Pesquera, A. Zurutuza, H. de Riedmatten, P. Goldner, F. J. G. de Abajo, P. Jarillo-Herrero, and F. H. L. Koppens, «Electrical control of optical emitter relaxation pathways enabled by graphene,« Nat. Phys. 11, 281–287 (2015)

N. Kunkel, A. Ferrier, C. W. Thiel, M. O. Ramírez, L. E. Bausá, R. L. Cone, A. Ikesue, and P. Goldner, «Rare-earth doped transparent ceramics for spectral filtering and quantum information processing,« APL Mater. 3, 096103–7 (2015)

K. de Oliveira Lima, R. Rocha Gonçalves, D. Giaume, A. Ferrier, and P. Goldner, «Influence of defects on sub-Å optical linewidths in Eu3+: Y2O3 particles,« J Lumin 168, 276–282 (2015)

H. Linget, T. Chanelière, J.-L. Le Gouët, P. Berger, L. Morvan, and A. Louchet-Chauvet, «Interlaced spin grating for optical wave filtering«, Phys. Rev. A 91, 023804 (2015)

T. Chanelière, G. Hétet, «Light-shift modulated photon-echo«, Optics Letters 40, 1294-1297 (2015)

R. L. Ahlefeldt, M. F. Pascual-Winter, A. Louchet-Chauvet, T. Chanelière, J.-L Le Gouët, «Optical measurement of heteronuclear cross-relaxation interactions in Tm:YAG«, Phys. Rev. B 92, 094305 (2015).

L'objectif de RAMACO est le développement d'une nouvelle classe de matériaux à structure aléatoire et possédant de longs temps de cohérence optique. Actuellement, ces derniers sont associés à l'ordre à longue distance que l'on trouve dans des monocristaux massifs, ce qui limite les matériaux disponibles et les possibilités de conception sur une échelle allant du nano- au macroscopique. Pour dépasser ce problème, nous proposons de synthétiser des échantillons polycristallins dopés par des terres rares et possédant des temps de cohérence comparables aux monocristaux. Ces matériaux, que nous produirons sous forme de nanoparticules ou de céramiques transparentes, pourraient remplacer les monocristaux dans les domaines de l'information quantique, de l'analyse de signaux radar, de la tomographie acousto-optique ou des lasers ultra-stables. Les nanoparticules permettraient le calcul quantique sur ion uniques, en micro-cavités ou couplés à d'autres systèmes quantiques. Les céramiques transparentes peuvent être utilisées pour produire des échantillons de grands volumes pour lesquels la croissance de monocristaux est très difficile. Avec pour objectif prioritaire le temps de cohérence, les nanoparticules et les céramiques seront optimisées en sélectionnant des méthodes de synthèse et leurs conditions, tout en analysant les processus physiques à l'origine de la perte de cohérence. Nous travaillerons particulièrement sur les modes de vibration des surfaces et des impuretés portant des spins en faisant varier les tailles de particules et/ou celles des domaines cristallins, ou encore en utilisant des structures cœur-coquille dans le cas des nanoparticules. Ces nouveaux matériaux seront aussi utilisés dans RAMACO pour tester de façon plus avancée notre concept. Tout d'abord, nous testerons des céramiques transparentes pour réaliser l'asservissement d'un laser sur un trou spectral étroit, et ce avec une haute stabilité. D'autre part, les nanoparticules seront utilisées pour étudier la génération d'une cohérence atomique dans un milieu où la lumière se propage de façon désordonnée. Ce phénomène jusqu'alors inconnu pourrait conduire à des avancées fondamentales en physique de l'état solide.

RAMACO est un projet interdisciplinaire qui réunit des équipes à la pointe de la chimie inorganique et de la physique quantique, pour développer des matériaux offrant une combinaison unique de flexibilité de conception et de propriétés quantiques remarquables.

Coordinateur du projet

Monsieur Philippe Goldner (CNRS Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris) – Philippe-goldner@Chimie-paristech.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ONERA Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales
CNRS LCMCP CNRS Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris
LAC Laboratoire Aimé Cotton

Aide de l'ANR 330 616 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 36 Mois

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