Nouvelles interfaces nanophotoniques avec des nanomatériaux dopés aux terres rares

Novel nanophotonic interfaces with nanomaterials doped with rare earth ions

• Auteur / Autrice : Lucas Araujo oliveira sotero silva
• Direction : Alexey Tiranov
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux pour la Photonique et l'Opto-Électronique (MPOE)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)

Mots clés

Mots clés libres

Technologies quantiques

Nanomatériaux

Optique

Ions terres rares

Spectroscopie

Quantum technologies

Nanomaterials

Optics

Rare-earth ions

Spectroscopy

Résumé

Nous utilisons des cristaux nanostructurés pour réaliser une interface quantique à l'état solide entre le spin et le photon, un grand défi pour les technologies quantiques du futur. Les cristaux dopés aux ions de terres rares (TR) offrent de longs temps de spin et de cohérence optique et sont prometteurs pour la réalisation de mémoires quantiques, de capteurs quantiques et de sources de photons uniques; cependant, leur nanofabrication est à un stade technologique précoce et a besoin d'un progrés significatif. Le projet vise à développer de nouveaux matériaux TR basés sur des nanoparticules et des couches minces, préservant les propriétés cohérentes des TRs et permettant leur intégration avec des plateformes nanophotoniques. Le projet combine la physique à températures cryogéniques à dilution, la fabrication de nouveaux nanomatériaux, la spectroscopie optique et de spin à haute résolution, ainsi que le design et la fabrication de structures nanophotoniques en collaboration avec des groupes de recherche en France et à l'international. Le projet portera 4 volets principaux : - Apprendre à utiliser des ensembles de spin à l'état solide pour des applications d'information quantique ; - Acquérir les compétences de fabrication pour développer des nanomatériaux à base de nanoparticules et de couches minces (dépôt de couches atomiques et dépôt chimique en phase vapeur, enduction centrifuge, etc.) ; - Étudier les échantillons développés avec des techniques de spectroscopie optique à des températures cryogéniques ; - Concevoir et fabriquer de nouvelles interfaces nanophotoniques en utilisant la fabrication/traitement en salle blanche (lithographie, gravure ionique réactive, etc.).

We use nanostructured crystals to realize a solidstate quantum interface between spin and photonic degrees of freedom, a great challenge for future quantum technologies. Rare-earth ion-doped (REI) crystals provide long spin and optical coherence times and are promising for realizing quantum memories, quantum sensors, and single photon sources; however, their nanofabrication is in the early technological stage and needs a significant boost. The project is aimed to develop novel REI materials based on nanoparticles and thin films, preserving the coherent properties of REIs and enabling their further integration with a broader range of nanophotonic platforms. The project combines low-temperature physics using dilution refrigerators, fabrication of novel nanomaterials, high-resolution optical and spin spectroscopy, and design and fabrication of nanophotonic devices in collaboration with French and international research groups. The project will have 4 main components: - Learning about using solid-state spin ensembles for quantum information applications ; - Acquiring the fabrication skills to develop nanomaterials based on nanoparticles and thin films (atomic layer deposition and chemical vapour deposition, spin coating etc.); - Studying developed samples using optical spectroscopic techniques at cryogenic temperatures; - Designing and fabricating novel nanophotonic interfaces using clean-room fabrication/ processing (lithography, reactive ion etching etc.).