Emission de lumière quantique par des centres colorés dans des matériaux 2D

Quantum light emission with color centers in 2D materials

• Auteur / Autrice : Maxime Barreau
• Direction : Jean-Jacques Greffet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Nanophotonique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique

Mots clés

Mots clés libres

Matériau 2D

Centre coloré

Nanophotonique

Photon unique

2D material

Nanophotonics

Color center

Single photon

Résumé

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau 2D hébergeant des centres colorés émetteurs de photons uniques dans le domaine visible. h-BN possède la remarquable propriété d'afficher une brillance remarquable et de bonnes propriétés photophysiques à température ambiante, ce qui en fait un bon candidat pour des applications nécessitant l'émission de photons uniques dans des conditions de températures moins contraignantes que les environnements cryogéniques [1]. En contrôlant l'excitation d'un système à deux niveaux, il est possible de contrôler l'émission d'un photon unique. Pour cela, il est possible de contrôler à la fois l' environnement de l'émetteur et ses conditions d'excitation. La nature bidimensionnelle de hBN permet d'envisager des stratégies originales de contrôle de l'émission de photons uniques par le biais d'un couplage entre centres colorés et nanostructures. Pour cela, il est possible de recourir à des techniques éprouvées de micro-manipulation de matériaux 2D, basées notamment sur des stations de transfert. Le but du stage est de développer un montage dédié à la caractérisation d'émission de lumière quantique du matériau en cartographiant les échantillons par microscopie à balayage confocal. Ce montage évoluera ensuite pour incorporer des fonctionnalités de manipulation permettant de combiner, sur un même instrument, capacités de caractérisation, localisation de centres émetteurs et assemblage de feuillets 2D. Le premier objectif du projet est d'améliorer la collection de photons uniques à l'aide de nanostructures. Le deuxième objectif est de mesurer la pureté de la statistique de photons uniques à l'aide de mesures de corrélation en intensité. Le troisième objectif est de contrôler électriquement la nanostructure afin de contrôler la fréquence d'émission d'un émetteur tout en réduisant sa largeur spectrale afin d'améliorer l'indiscernabilité des photons [2]. A plus long terme, le but du projet est de démontrer la possibilité de positionner de manière contrôlée des émetteurs à proximité de nanostructures aux fonctionnalités avancées. Par exemple, il est possible d'empiler des émetteurs à proximité l'un de l'autre afin de contrôler l'émission spontanée. Leur couplage mutuel fournit un moyen de contrôler l'émission dans le domaine temporel [3] : ce système émetteur de photons uniques avec une bande passante adaptable possède un intérêt dans l'élaboration de mémoires quantiques capable de stocker et de restituer des quantas à la demande. [1] Tran, T. T., et al.. (2016). Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers. Nature Nanotechnology, 11(1), 37-41. [2]Akbari et al (2022), «Lifetime-Limited and Tunable Quantum Light Emission in h-BN via Electric Field Modulation » Nano Lett.2022, 22, 19, 7798–7803 ; https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02163 [3] Shlesinger, et al. (2019). Time-Frequency Encoded Single-Photon Generation and Broadband Single-Photon Storage with a Tunable Subradiant State, Optica 8, 95 (2021).

Hexagonal Boron Nitride (h-BN) is a 2D material that hosts color centers emitting single photons in the visible range. h-BN has the remarkable property of displaying remarkable brightness and great photophysical properties at ambient temperature making it a good candidate for single photon emission in less constraining temperature conditions [1]. Emission of a single photon can be achieved using a two-levels system and controlling its excitation. An important issue is to control the emission mode and the emission time. This can be achieved by controlling the environment and the excitation of the emitter. The 2D nature of hBN enables to envision original strategies to achieve coupling between color centers and nanostructures for the control of single photon emission. Micro-manipulation of 2D materials is well-known, and is based on the use of transfer stations to build 2D heterostructures. The first goal of the structure is to improve the emitted photon collection using nanostructure. The second goal is to measure the single photon purity by performing intensity correlation measurements. The third goal is to control electrically the nanostructure [2] in order to shift the emitting frequency and reduce its width so that indistinguishability is improved. The longer term goal of the project is to demonstrate controlled positioning of emitters around nanostructures with advanced functionalities. For instance, one could stack two emitters in close proximity to control spontaneous emission. Their mutual coupling provides a means to control in time domain the emission [3] : this single photon emitting system with an adaptable bandwidth could be useful to build quantum memories, able to store and release quanta on demand. [1] Tran, T. T., et al.. (2016). Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers. Nature Nanotechnology, 11(1), 37-41. [2]Akbari et al (2022), «Lifetime-Limited and Tunable Quantum Light Emission in h-BN via Electric Field Modulation » Nano Lett.2022, 22, 19, 7798–7803 ; https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02163 [3] Shlesinger, et al. (2019). Time-Frequency Encoded Single-Photon Generation and Broadband Single-Photon Storage with a Tunable Subradiant State, Optica 8, 95 (2021).