Ecole Résidentielle Interdisciplinaire en Nanosciences et ...
Photons uniques à l’INSP - Institut des NanoSciences de ...
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Photons uniques à l’INSP
Nanostructures et Optique
Nanostructures et systèmes quantiques
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Photons uniques à l’INSP
Qu’est ce qu’un photon unique?
M i l ti d l'é i i d h t i d i t
Agnès Maître
Manipulation de l'émission de photons uniques de nanocristaux (régime de couplage faible, Temps de vie)
L t C l
B ît ti à b d i d t d
Laurent Coolen
Boîtes quantiques à base de semiconducteurs comme source de photons uniques indiscernables
(Régime de couplage fort, temps de cohérence)
Valia Voliotis
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Qu’est-ce qu’un photon Unique
Ondes et interférencesOndes de surfaceOndes de surfaceOndes en optique
Sources de photons uniques
Onde ou particule?Onde ou particule?
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Une Onde
Surface de l’eau Surface de l’eau, Instant donné
λ≈10 cm
isse
ur
épa
Position x0
Université de Nantes T=1/ν
isse
ur T≈1 s
e= a cos(ωt-kx)E d it d é
temps0
épa ( )
Endroit donné,Temps varie
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Ondes en optique
T≈10-15 s
rique
E
X fixé
e
mp é
lect
r
Qdots©
temps0
Cham
Qdots©
λ≈ 450nmλ≈ 650nm (nm=10-9m)
Tmesure oeil 1/50 s : 1014 périodesTmesure photodiode ≈ 10-4 -10-9 s : 1011 périodesmesure p p
E
tt
Réponse détecteur
I=<|E|2>temps mesure
tI I Intensité α énergie
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Interférences de deux ondes
A la surface de l’eau
a cos(ωt)a cos(ωt) ( )( )1 2
Des lieux d’amplitude maximumDes lieux d’amplitude nulle
tempsϕ =0 : En phase
tempsϕ =0 : En phase ϕ =π : En opposition de phase
Dépend du décalage temporel entre les deux ondes
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Interférences en optique
Trous d’Young
Une onde
Onde plane trou
Deux ondes: interférences
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Interféromètre de Mach-Zehnder50/50
I0 ϕ =0ϕ =πϕ =π/2
50/50ϕ
I0
I1
Interférences constructives
ϕ =0Interférences destructrives
ϕ =πϕ =π/2
1
50/50++
+ -x, ϕ proportionnels
0I0/2
I
2
I2Interférences destructivesInterférences constructives
I0/2I1
Franges d’interférences
I
ϕI2
I0
2
ϕI0
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Faisceau intense/photons uniques
ILaser
tPhotodiodeLaser très atténué
I
Photodiode t0
L t è tté éI
Laser très atténué Comptage de photons
Photodiodeà avalanche
0
Photon: quanta d’énergie
Source de photon unique idéale ….
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Reconnaître une source de photons uniques
50/50
Clict
1Start
t
Clic2Stop
Hanbury Brown TwissClict
2 Hanbury, Brown, Twiss
Sources de photons uniquesCoincidences: histogramme des temps d’arrivée
ces
LaserNanocristaux CdSe/ZnS
oin
ciden
c
Qdots©
Co
Délai (t2-t1)
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Sources de photon uniques
Microscopie de fluorescence
Nanocristaux CdSe/ZnS: solution très diluée
Nanocristaux déposés à la tournette
Excitationmiroir dichroique
Qdots©
Camera CCD
Lampe UV
B ît ti I A /G ABoîtes quantiques InAs/GaAs
Centres Colorés dans le diamant
Atomes
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Système à deux niveauxHistoire d’un pétard
0) au repos 1) Apport d’énergie
2) La mèche se consume (pendant T en moyenne)
3) Le pétard explose( en moyenne au temps T)
Emi ion d’ ne onde ono e Emission d’une onde sonore
Histoire d’un système à 2 niveaux (Atome, nanocristal, boîte quantique,…)
e ee
0) fondamental 1) Apport d’énergie 2) Etat excité (durant ≈T1)
3) Désexcitation(au bout de ≈T1)
Ener
gie
Ener
gie
Ener
gie
Ener
gie
E
…Photon émis
T1 temps de vie
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Photons: Onde ou particule?
Système à 2 niveaux Chemin A
Alain Aspect 86
-Clic
ϕ
1
Chemin B
ϕ
2Chemin B
P ti l ?Onde?
50/50
Particule? Franges d’interférences
Pas d’interférences?Vincent Jacques (LPQM, 2007)
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Expérience à choix retardéer
gie
J. F. Roch, V. Jacques (07)
BS1
Ene
Bras de l’interféromètreLame
escamotableescamotable
Le choix sur la présence de la lame, est fait après que le photon soit entré dans l’interféromètre
Pas de lame: pas d’interférences Lame 50/50: Interférences
entré dans l interféromètre
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Que faire avec des photons uniques?
Beaucoup de choses passionnantes
Cryptographie quantique...
Contrôle de l’émission
Laurent Coolen
Photons indiscernables
Valia Voliotis
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Manipulation de l'émission de photons uniquesManipulation de l émission de photons uniquesde nanocristaux ; en régime de couplage faible
Groupe « nanophotonique et optique quantique »
Permanents :
Carlos Barthou Paul Benalloul Laurent CoolenCarlos Barthou, Paul Benalloul, Laurent Coolen, Jean-Marc Frigerio, Agnès Maître, Catherine Schwob
Thésards / ATER :
Amaury Avoine, Chérif Belacel, Hugo Frederich, Phan Ngoc Hong, Julien Laverdant
Ancien membre : Céline VionAncien membre : Céline Vion
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Nanocristaux de semi-conducteurs
Structure typique :
CdSe
coquille de passivation (ZnS)
synthèse chimiqueen solution
commercialisé depuis 2003
1) cœur :Cd(CH3)2 + Se360 °C
2) coquille :Et2Zn + (TMS)2S160 °C
(3 nm)commercialisé depuis 2003(Invitrogen, Evident…)
collaborations B Bubertret LPEM (Paris) Pham Thu Nga IMS (Hanoi)
360 C 160 °C
B. Bubertret, LPEM (Paris), Pham Thu Nga, IMS (Hanoi)
confinement q antiq eéchantillons CdSe/ZnS IMS
confinement quantique : la longueur d’onde dépend de la taille (bien contrôlée)
émission de photons uniques à température ambiantep q p
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Observer un naocristal individuel
nanocristal> 1 µm
lampe UVou manip. de microscopie confocale
Céli Vi A è M ît
ou :
nanocristal
laser 400 nmCéline Vion, Agnès Maîtreinterfaçage : Francis Breton, Sébastien Royer
individuelfiltrage spatial
émission de photons uniques … polarisée ?
excitation pulsée
p q p… dirigée ?… rapide ?
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Contrôle de l'émission lumineuse
L’émission d’une particule dépend aussi de son environnement...
émetteur dans le vide :émission possible à toutes les longueurs d’onde
émetteur dans une cavité :émetteur dans une cavité :
modes résonants :
émission uniquement dans les modes résonantsémission uniquement dans les modes résonants
⇒ émission exaltée à résonance(en régime de couplage faible : effet Purcell : T1 diminue)⇒ contrôle de la polarisation⇒ contrôle de la direction
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Miroir métallique
Reference : Surface d’or :
Signal lumineux x 2,5 car :80 nm
or
- (T1 plus grande)- meilleure collection
mais beaucoup d’énergie perduecaméra caméra p g pdans l’or (modes plasmons de surface)
caméra caméra
⇒ récupérer l’énergie des plasmons...
⇒ miroirs non métalliquesthèse Céline Viondépôt Stéphane Chenotdépôt Stéphane Chenot
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Structures lithographiées
miroir de Bragg : empilement périodique de couches SiO / TiO
Micropilier
périodique de couches SiO2 / TiO2interférences constructives des ondes réfléchiescavité
2,1 µm
échantillon et image MEB :P. Senellart, LPN (Marcoussis)
thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP)
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Structures lithographiées
Micropilier Cristal photonique
2,1 µmcouche mince avec réseau de trous périodique(lithographie électronique)
échantillon et image MEB :
cavité
échantillon et image MEB :P. Senellart, LPN (Marcoussis)
thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN INSP)
simulation FDTD(logiciel Meep, MIT)
(cotutelle LPN-INSP)
échantillon : O. Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse)image AFM : Emmanuelle Lacaze
thèse Amaury Avoine
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Structures lithographiées
Micropilier Cristal photonique
émetteur en cavité à température ambiante- émetteur en cavité à température ambiante
- positionnement déterministe
⇒ pilier gravé autour du nanocristal ⇒ nanoxérographie AFM (Dousse et al., Phys. Rev. Lett. 101, 267404) (L. Ressier, LPCNO, Toulouse)
2,1 µm
échantillon échantillon : O Gauthier-Lafaye LAAS (Toulouse)échantillon et image MEB : P. Senellart, LPN (Marcoussis)
thèse Chérif Belacel (cotutelle LPN-INSP)
échantillon : O. Gauthier-Lafaye, LAAS (Toulouse)image AFM : Emmanuelle Lacaze
thèse Amaury Avoine
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Structures auto-assemblées
cristaux photoniques 3Dempilement auto-organisé de billes de silice de ~ 300 nm
Opales
empilement auto organisé de billes de silice de 300 nm
image MEB : IMS
sédimentation convection Langmuir-Blodgett(couche par couche)Collaborations
A. Gruzintsev, P. T. Nga S. Ravaine, CRPP (Bordeaux) IMT (Russie) (IMS, Hanoi) C. Mangeney (ITODYS, Paris)
+ Synthèse à l’INSP en démarrage (thèse Phan Ngoc Hong)
Nanocristaux dans une opale de silice : augmentation de T1 mesurée de 9 % (thèse C. Vion)
⇒ nanocristaux à l’intérieur des billes : ⇒ cavitéd’opales :
effet de l’opalesur T1
simulation MPBP. Massé,
S. Ravaine, CRPP
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Structures auto-assemblées
Opales Surfaces d'or périodiques
périodicité => plasmons couplés au champ radiatif
dépôt d’une couche d’or (évaporation) sur une opale :
énergie perdue sous forme de plasmons récupération des modes plasmons
échantillons : Roger Gohier, Mélanie Escudier( p ) p
thèse Hugo FrederichAFM : Fangfang Wen MEB : Dominique Demaille
vers la plasmonique quantique ?plasmons uniques…
Kolesov et al., Nature Physics 5, 470 (2009) : dualité onde-corpuscule sur les plasmons
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Conclusion
micropilier opale
nanocristaux individuelsphotons uniques
cristal photonique surface d’or
- couplage nanocristal – structure photonique (ou plasmonique)- fabrication + caractérisation des structures + simulations- effets recherchés : variation de T1, polarisation, direction- plasmons uniques etc.
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Boîtes quantiques à base de semiconducteursBoîtes quantiques à base de semiconducteurscomme source de photons uniques indiscernables
INSP
Valia Voliotis
Collaborations
LPN, MarcoussisRoger Grousson
Alexandre Enderlin (doctorant)
,A.Lemaître, A. Martinez
AIST, NRI, Japon( )Catherine Tonin (doctorante)
Marco Ravaro (post doc)
, , pX. L. Wang
( )
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Boîtes quantiques auto-assemblées
• Croissance par épitaxie par jets moléculaires
• Formation de boîtes quantiques
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Boîtes quantiques auto-assemblées
STM image of the (110) face of an InAs box-stack layer in GaAs
(RPL,85,1068 (2000)
• Boîte Quantique InAs/GaAs :cône tronqué en InAs
h: quelques nmR: 10 nmR: 10 nm
Couche de GaAs
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Niveaux électroniques dans les boîtes quantiques Niveaux électroniques dans une boîte
• Boîte quantique:Confinement spatial des porteurs à 3 D
• Niveaux électroniques dans un atome
Ln =1
n =2
3
• Schéma simplifié des niveaux dans une boîte:
n =3
E
E
Une BQ est un «macro»-atome
Système à deux niveaux
1
0
E1
E0
hν0
01 EEh −=ν
0
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Emission de lumière par une boîte
• Excitation de la boîtepar des impulsions laser
• Processus absorption-émission
1
Émission de photons uniques
par des impulsions laser absorption émission
0 ⇒ Pistolet à photons indiscernables
• Indiscernabilité des photons ⇔ mêmes caractéristiques- même fréquence
(longueur d’onde)- même distribution spatiale
(mode spatial du faisceau dans lequel se propage le photon)- même distribution temporelle
(forme temporelle du paquet d’onde contenant le photon unique)- même état de polarisation
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Coalescence: interférence à deux photons
• Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987):interférences à 2 photons indépendants
Lame semi-réfléchissante (50/50)
1 photon Transmis (proba = ½)
Réfléchi (proba = ½)
2 photonsLes 4 chemins ont la même probabilité (1/4)
• La Mécanique Quantique prédit:interférences destructives entre les deux chemins croisés,les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lameles deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame
à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables
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Coalescence: interférence à deux photons
• Expérience de Hong, Ou et Mandel (1987):interférences à 2 photons indépendants
Lame semi-réfléchissante (50/50)
1 photon Transmis (proba = ½)
Réfléchi (proba = ½)
2 photonsLes 4 chemins ont la même probabilité (1/4)
• La Mécanique Quantique prédit:interférences destructives entre les deux chemins croisés,les deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lameles deux photons sortent 2 par 2 du même côté de la lame
à condition qu’ils arrivent en même temps, et qu’ils soient indiscernables
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Cohérence temporelle
• La lumière émise par la boîte est quasi-monochromatique:
I (ν) 1Δ
ν
ΔνL’élargissement:
cT≈Δν
Tc est le « temps de cohérence »
• Le temps de cohérence est lié à:- la durée de vie (recombinaison radiative T1)
νν0
la durée de vie (recombinaison radiative, T1)- l’interaction entre la boîte et son environnement (phonons)
Tc• 1 photon: train d’onde
temps
Sauts de phaseau bout de Tc
p
• Les photons uniques sont des trains d’onde successifs • Les photons uniques sont des trains d onde successifs, émis avec une phase aléatoire⇒ Perte de l’indiscernabilité à cause des mécanismes de décohérence
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Manipulation cohérente
Amélioration de la génération de paires de photons indiscernables : contrôle cohérent en régime de couplage fort
(thèse A. Enderlin)
• Excitation de la boîte par deux impulsions laser: résonantes (hν = E1 - E0),ayant une relation de phase Δφ entre elles, et un délai δ
1
ayant une relation de phase Δφ entre elles, et un délai δ
δ, Δφ
l l l ibl
01 EEh −=ν 0⇔ Tc le plus long possible
Luminescence
• Interaction boîte – lumière à la résonance:
Boîte quantique dans un guide d’onde 1DBQs-InAs ⇔ diminution de la durée de vie radiative, T1
Excitation
⇔ Tc ≈ T1 ≈ 200 ps
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Expérience de coalescence de deux photons
Start (t 1)
(thèse de C. Tonin)
PDAStop (t2)
50/50
PDA
1
PDA0T
T+τ
Ligne à retard
Contrôle de l’indiscernabilité des photons
Test: expérience d’interférences à deux photons
reste à résoudre: efficacité d’extraction des photons
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Conclusion
• Sources à photons uniques à base de semiconducteurs2 approches complémentaires:2 approches complémentaires:
Nanocristaux en régime de couplage faible
Boîtes quantiquesen régime de couplage fortg p g
- Contrôle de l’émission spontanéegrâce au couplage à une cavité
g p g
- Contrôle cohérent résonant grâce au couplage à un guide 1Dg p g
Génération et extraction efficaces
g p g g
Génération de photons uniques de photons uniques indiscernables
création d’états intriqués de photons
• Applications en cryptographie et information quantique