Contrôle de l'émission optique de centres colorés individuels greffés sur des nanotubes de carbone par une micro-cavité fibrée

Control of the optical emission of individual color centers grafted on carbon nanotubes with a fibered micro-cavity

• Auteur / Autrice : Antoine Borel
• Direction : Christophe Voisin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Maître, Brahim Lounis, Xavier Marie, Anaïs Dréau, Loïc Lanco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brahim Lounis, Xavier Marie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phonons

Excitons

Photons uniques

Microcavités

Nanotubes

Électrodynamique quantique en cavité

Mots clés libres

Electrodynamique quantique en cavité

Nanotube de carbone monoparoi

Micro-cavité fibrée

Source de photons uniques

Bandes télécoms

Excitons

Phonons

Cavity quantum electrodynamics

Single walled carbon nanotube

Fibered micro-cavity

Single photon source

Telecom bands

Excitons

Phonons

Résumé

Les sources de photons uniques sont la brique élémentaire pour la construction d'un réseau de télécommunication quantique. Elles doivent permettre d'émettre efficacement et sur-demande des photons uniques dans les bandes télécoms à température ambiante, tout en étant facilement intégrables et accordables. Les nanotubes de carbone semi-conducteurs sont des candidats intéressants car l'énergie des photons émis peut être choisie en sélectionnant leur diamètre. Ils ont cependant l'inconvénient de n'émettre des photons uniques qu'à température cryogénique et avec un faible rendement quantique. Ces dernières années, beaucoup d'attention a été portée au greffage covalent de fonctions chimiques à la surface des nanotubes permettant notamment l'émission de photons uniques à température ambiante et dans les bandes télécoms. Dans un premier temps, afin de mieux saisir les mécanismes d'émission de photons de ces nanotubes greffés, des études de photoluminescence à température cryogénique ont été menées par imagerie hyper-spectrale super-résolue, par spectroscopie résolue en excitation et par corrélation d'intensité. Nous avons ainsi vérifié que l'environnement local de l'exciton piégé était responsable des multiples signatures dans l'absorption et l'émission de lumière de ce système. Pour tirer pleinement parti du potentiel de ces émetteurs comme sources quantiques de lumière, nous les avons couplés à une micro-cavité Fabry-Pérot fibrée. Cette géométrie ouverte permet un maximum de souplesse pour obtenir l'accord spatial et spectral à chaque émetteur. Elle permet de plus de comparer les propriétés d'un même nano-émetteur en espace libre et en cavité, pour une étude fine des effets d'électrodynamique quantique en cavité. Cette grande souplesse du dispositif, nous a permis d'observer la reconfiguration de l'émission d'un émetteur isolé par l'effet Purcell grâce des mesures spectroscopique ou des mesures de temps de vie. Ainsi le taux d'émission des photons a pu être augmenté d'un facteur 30. En tirant profit de l'accordabilité de la cavité, nous avons pu vérifier les variations du facteur de Purcell et du couplage lumière-matière en fonction du volume de mode ainsi qu'un effet original d'électrodynamique quantique en cavité : le couplage tripartite exciton/phonons/cavité.

Single photons sources are one of the building blocks of a quantum telecomunication network. They are required to emit efficiently and on-demand indistinguishable single photons. From an application point of view, telecom band and room temperature emission as well as electrical injection are non negligible assets. Semi-conducting carbon nanotubes are interesting candidates as their emission energy can be tuned by selecting their diameter. However they are single photon sources only at cryogenic temperature and exhibit a low quantum yield. The last past years, lots of attention were given to carbon nanotube covalent functionalization, allowing telecom band single photon emission at room temperature. To better understand the photo-emission of these new grafted carbon nanotubes, photoluminescence studies at cryogenic temperature were first led, thanks to hyperspectral super-resolved imaging technique, excitation resolved spectroscopy measurements and intensity correlation observations. We thus observed how the local environment was responsible for the multiples signatures in the absoprtion and emission processes. To control the optical properties of these new objects, we coupled them to fibered Fabry-Pérot micro-cavity. This open cavity allows large tuning over spatial and spectral matching to be adapted to each emitter. In addition it allows us to compare the optical properties of the very same single emitter in free space and in cavity to study cavity quantum electrodynamics effects. The Purcell factor and the light-matter coupling were measured thanks to spectroscopic and lifetime measurements. A decay rate improved by a factor 30 was thus observed. Taking advantage of our cavity tunability, we verified the Purcell factor variations with the mode volume, and observed an original cavity quantum electrodynamic effect : the coupling between exciton, phonons, and cavity.