Thèse soutenue

Couplage déterministe de nanodiamants contenant des centres azote-lacune à des nano-antennes de silicium par nanoxérographie-AFM : vers le contrôle de l’émission de sources de photons uniques

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Auteur / Autrice : Mélodie Humbert
Direction : Laurence RessierAurélien Cuche
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance le 02/06/2022
Etablissement(s) : Toulouse, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO- Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - CEMES- Centre d'élaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO - Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales / CEMES
Jury : Président / Présidente : Olivier Gauthier-Lafaye
Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ressier, Aurélien Cuche, Agnès Maïtre, Guillaume Bachelier, Davy Gérard
Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Maïtre, Guillaume Bachelier

Résumé

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Les nano-structures diélectriques à fort indice de réfraction supportent des modes de résonances optiques de Mie de nature électrique ou magnétique dans le spectre visible. Ces résonances induisent une forte localisation et exaltation du champ électromagnétique au voisinage de ces nano-structures, qui modifient fortement la densité locale d'états photoniques. En conséquence, l'émission de lumière par des émetteurs quantiques positionnés dans le champ proche de telles nano-antennes diélectriques peut alors être modifiée par effet Purcell. Ce sujet de nano-optique est en pleine expansion. Cette approche de couplage émetteur-antenne est en effet essentielle pour le développement et le contrôle de sources de photons uniques à l'échelle nanométrique, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans le domaine des technologies quantiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de coupler des centres azote-lacune (NV) contenus dans des nanodiamants colloïdaux à des antennes de silicium (matériau diélectrique d’indice de réfraction n ~ 4) de dimensions nanométriques, pour contrôler la luminescence de ces émetteurs quantiques à l'échelle du photon unique. Dans un premier temps, nous avons étudié le filtrage spectral et modal de la propagation de photons émis par des centres NV dispersés aléatoirement à proximité de nano-fils de silicium de différentes sections, confirmant le rôle crucial que joue la position des émetteurs par rapport aux nano-structures. Pour répondre à cette problématique de contrôle du positionnement relatif des émetteurs, nous avons ensuite mis au point un protocole de nanoxérographie par microscopie à force atomique (AFM) permettant de réaliser des assemblages dirigés sélectifs d’un petit nombre contrôlé de nanodiamants (jusqu’à un unique nano-objet) sur un substrat de SiO2/Si. Finalement, la nanoxérographie-AFM a été adaptée à l'assemblage d'un faible nombre de nanodiamants, jusqu’à l’émetteur unique, dans le gap nanométrique de dimères de silicium élaborés par nanolithographie électronique sur un substrat de type silicium sur isolant (SOI). Cette preuve de principe a démontré la possibilité de contrôler le taux d'émission des centres NV couplés optiquement à des nano-antennes en silicium présentant une géométrie simple. Les résultats obtenus ont révélé que la nanoxérographie-AFM est une méthode versatile, robuste et rapide permettant de positionner de manière déterministe et reproductible sur une surface micrométrique des émetteurs quantiques à proximité immédiate de nano-antennes diélectriques afin de contrôler leur couplage, et ce à l'échelle du photon unique. Ce travail ouvre la voie à l’élaboration de systèmes couplés plus complexes aux performances optiques optimisées.