Vers la création déterministe d'émetteurs quantiques dans les matériaux 2D pour les technologies quantiques optiques

Towards deterministic creation of quantum emitters in 2D materials for optical quantum technologies

• Auteur / Autrice : Andrés Núñez
• Direction : Jean-Pierre Hermier, Aymeric Delteil
• 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 INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'étude de la matière condensée
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines

Mots clés

Mots clés libres

Technologies quantiques

Matériaux bidimensionnels

Sources de photons uniques

Centres colorés

Photonique quantique

Optique quantique

Quantum optics

Color centers

Technologies quantiques

2D materials

Single photon sources

Quantum photonics

Résumé

Les défauts profonds optiquement actifs dans l'état solide (également appelés centres colorés) peuvent être considérés comme des atomes artificiels [1]. Ils représentent un intérêt majeur pour les sciences de l'information quantique en raison de leur capacité à émettre des photons uniques ainsi que de leur intégration possible dans des nanostructures et des dispositifs. Un exemple emblématique est le centre azote-lacune (NV) dans le diamant, à la base des réseaux quantiques émergents [2]. Les centres colorés récemment découverts dans le matériau 2D nitrure de bore hexagonal (hBN) ouvrent de nouvelles perspectives d'intégration et d'applications dans les technologies quantiques [3]. La thèse se déroulera au sein du laboratoire GEMaC (UVSQ/CNRS) situé à Versailles. Dans l'équipe Nanophotonique Quantique, nous avons récemment démontré [4] une nouvelle famille d'émetteurs de photons uniques dans le hBN avec d'excellentes propriétés en termes de brillance, de cohérence et de reproductibilité [5]. Ces émetteurs peuvent être activés localement à l'aide d'un faisceau d'électrons dans un microscope électronique à balayage (figure 1), ce qui nous a permis de démontrer l'intégration top-down dans des dispositifs photoniques [6]. Le premier objectif de cette thèse de doctorat est de développer un dispositif de contrôle in situ pour la génération contrôlée de centres colorés individuels. Le principe est d'utiliser la cathodoluminescence - le signal émis par les centres colorés lors de l'excitation électronique - comme signal annonçant leur création [7]. Basé sur des détecteurs de photons uniques, le dispositif permettra de créer exactement un émetteur à l'emplacement désiré, ce qui permettra l'intégration potentielle d'un grand nombre d'émetteurs dans des dispositifs complexes. Cela constituera le nouvel état de l'art pour la création contrôlée d'émetteurs quantiques dans des structures 2D. En outre, l'expérience permettra d'étudier le mécanisme de génération à partir de défauts UV préexistants dans le cristal. À cette fin, le dispositif comprendra un détecteur de photons UV, ce qui permettra de répondre à ce problème ouvert. Dans un deuxième temps, sur la base de ce dispositif expérimental unique, le candidat concevra, fabriquera et caractérisera des dispositifs de photonique quantique incorporant des centres colorés à des positions contrôlées dans des microcavités et des guides d'ondes. La fabrication fait appel aux techniques de traitement les plus récentes qui sont spécifiques au domaine récent des matériaux 2D, et impliquera des partenaires du LPENS. Enfin, le ou la candidat·e utilisera la boîte à outils de l'optique quantique pour contrôler les émetteurs avec des lasers et étudier les propriétés et les phénomènes pertinents pour le domaine de l'information quantique. Il/elle poursuivra les expériences de spectroscopie résonante menées dans le groupe [5], et cherchera également à dépasser la visibilité de 56 % que nous avons précédemment observée dans l'interférence de Hong-Ou-Mandel, afin d'améliorer l'indiscernabilité des photons [5]. Le projet de doctorat est essentiellement expérimental et comprendra le développement d'une nouvelle installation optique(l'équipement est déjà présent), la fabrication d'échantillons et des expériences d'optique quantique.

Optically active deep defects in the solid state (also called color centers) can be seen as artificial atoms [1]. They represent a major interest in quantum information science, owing to their potential as single photon emitters and their possible integration in nanostructures and devices. An emblematic example is the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, at the basis of emerging quantum networks [2]. Recently discovered color centers in the 2D material hexagonal boron nitride (hBN) bring new perspectives of integration and applications in quantum technologies [3]. The PhD thesis will take place in the GEMaC laboratory (UVSQ/CNRS) located in Versailles. In the Quantum Nanophotonics team, we have recently demonstrated [4] a new family of single photon emitters in hBN with excellent properties in terms of brightness, coherence and reproducibility [5]. These emitters can be locally activated using an electron beam in a scanning electron microscope (figure 1), which has allowed us to demonstrate top-down integration in photonic devices [6]. The first objective of this PhD thesis is to develop an in-situ monitoring setup for the controlled generation of individual color centers. The principle is to use cathodoluminescence – the signal emitted by the color centers upon electron excitation – as the signal heralding their creation [7]. Based on single photon detectors, the setup will allow to create exactly one emitter at the desired location, unlocking scalable integration into complex photonic chips, which will constitute the new state of the art for the controlled creation of quantum emitters in 2D structures. In addition, the experiment will allow to investigate the generation mechanism from preexisting UV-emitting defects in the crystal. To this end, the setup will incorporate a UV photon detector, allowing to address this fundamental open question. In a second step, based on this unique setup, the candidate will design, fabricate and characterize quantum photonic devices incorporating color centers at chosen positions in microcavities and waveguides. The fabrication involves the most recent process techniques that are specific to the recent field of 2D materials, and will involve partners in LPENS. Finally, the candidate will use the quantum optics toolbox to control the emitters with lasers and investigate the properties and phenomena relevant to the field of quantum information. They will continue resonant spectroscopy experiments carried out in the group [5]. They will also seek to exceed the 56 % visibility we previously observed in Hong-Ou-Mandel interference, to improve the indistinguishability of photons [5]. The PhD project is mostly experimental and will include the development of a new optical setup (the equipment is already present), sample fabrication and quantum optics experiments.