Nanocristaux dopés par des ions terres rares pour des applications en information quantique

par Karmel De Oliveira Lima

Thèse de doctorat en Science des Matériaux

Sous la direction de Philippe Goldner.

Soutenue le 17-12-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris (laboratoire) .

Le jury était composé de Agnès Maître, Stefan Kröll, Signe Seidelin, Thierry Gacoin, Gilles Ledoux, Alban Ferrier.

  • Titre traduit

    Rare earth doped nanocrystals for quantum information applications


  • Résumé

    Les cristaux dopés par des ions de terre rare (TR) apparaissent prometteurs pour des applications dans le traitement quantique de l'information. Parmi ces matériaux, les cristaux massifs d'Eu3+:Y2O3 présentent un long temps de cohérence optique (T2), un paramètre fondamental pour les technologies quantiques. Ce travail de thèse porte sur l'étude de ce système à l'échelle nanométrique, ce qui pourrait permettre de développer des systèmes hybrides dans lesquels les TR sont couplées à d'autres systèmes quantiques. Des nanocristaux de différentes tailles ont été élaborés par précipitation homogène. La largeur optique inhomogène diminue avec des recuits à haute température et peut atteindre les valeurs mesurées dans des cristaux massifs. Une corrélation quasi-linéaire avec les largeurs de raie Raman a aussi été observée. Les temps de vie de population sont plus longs que dans les échantillons massifs et peuvent être modélisés par un indice de réfraction effectif. Les T2 optiques ont ensuite été déterminés par écho de photon et creusement de trou spectral. Nous avons mesuré un temps de cohérence de 7.1 µs à 1.7 K dans un échantillon dopé à 0.5 % en Eu3+, la valeur la plus élevée observée pour un nanocristal. Une étude en température et de la diffusion spectrale indique que le déphasage est dominé par des fluctuations de la structure et des basculements de spins.


  • Résumé

    Rare earth (RE) doped crystals are promising materials for quantum information processing (QIP). In particular, Eu3+:Y2O3 bulk crystals present long optical coherent lifetimes (T2), a fundamental parameter for QIP. In this thesis, we investigated this system at the nanoscale, which could be used to build hybrid devices where RE are coupled to other quantum systems. This work focuses on the development of Eu3+: Y2O3 particles with sub-wavelength size and on the static and dynamical contributions to Eu3+ optical linewidth. Systems with different particle and crystallite sizes were prepared using homogeneous precipitation. Optical inhomogeneous linewidths were found to decrease with high temperature annealing and reached values close to those of bulk crystals, showing that low defect concentrations can be obtained. A quasi-linear correlation with Raman linewidths was also observed. T1 population decays were measured by fluorescence and found longer than in the bulk, in good agreement with a model based on an effective refractive index model. Optical T2 were investigated by photon echo (PE) and holeburning techniques. We observed a coherence lifetime of 7.1 µs at 1.7 K in a 0.5 % Eu3+ doped sample, the highest value reported for any nanocrystal. Temperature dependence and spectral diffusion studies indicate that structure fluctuations and spin flips dominate dephasing.


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