Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Plasmonique & Nano-Optique Quantique

La Plasmonique & Nano-Optique Quantique vise à transposer à 2D certains concepts d’optique quantique en remplaçant le mode de cavité habituel par un mode plasmon supporté par une nanostructure métallique ou par un mode photonique dans une structure diélectrique à la géométrie appropriée. Les Plasmons de Surface sont des modes longitudinaux qui existent à l’interface entre un métal et un diélectrique et qui permettent une propagation du signal à deux dimensions (2D) en même temps qu’un confinement et une exaltation du champ dans des volumes sub-longueur d’onde. D’un autre côté, les nanostructures diélectriques supportent des modes photoniques avec des propriétés de confinement, exaltation et propagation similaires. Le régime quantique nécessite la génération d’excitations élémentaires uniques et ceci peut être obtenu en couplant un ou plusieurs émetteurs de photons uniques [1] à des cavités plasmoniques ou photoniques. Ce domaine des excitations uniques peut amener à des régimes fascinants où dégroupement de photons, interférences quantiques et intrication pourraient être observés dans des structures métalliques ou diélectrique. Dans le contexte des technologies quantiques, ceci permet d’envisager le développement de briques élémentaires reposant sur les propriétés quantiques de la lumière pour le transfert et le contrôle de l’information.

Contact : aurelien.cuche[at]cemes.fr

 

 

Source de photons uniques : Centres colorés (NV) dans des nanodiamants

 

Figure 1 : Gauche – Carte confocale de photoluminescence de nanodiamants uniques contenant des centres colorés NV-. Droite – Spectre de photoluminescence du centre NV chargé négativement (La courbe de dégroupement de photons insérée provient de la référence [1]). © CEMES-CNRS

 

 

 Propagation et manipulation de photons/plasmons uniques à 2D

 

Figure 2 : Gauche - Illustration d’un nanodiamant contenant un seul centre NV excitant des plasmons se propageant dans une cavité plasmonique hexagonale. Centre - Spectre de luminescence expérimental d’un centre NV unique couplé à une telle cavité hexagonale en or cristallin (courbe d’autocorrélation en inset). Droite - Images champ large de la luminescence de ce même nanodiamant couplé à cette cavité plasmonique 2D cristalline (8 µm de l’extrémité gauche à l’extrémité droite). Il est possible de voir la propagation du signal à 2D par l’intermédiaire des plasmons. Les résultats sont issus de la référence [2] (Ce travail est une collaboration entre les groupes NeO et GNS du CEMES et l’ETH Zurich). © CEMES-CNRS

 

Figure 3 : (a) Image en microscopie électronique à balayage de la cavité colloïdale en or (8 µm de l’extrémité gauche à l’extrémité droite) après façonnage par faisceau d’ions focalisés (FIB). (b) Images champ large de la luminescence du nanodiamant couplé à la même cavité plasmonique 2D cristalline après façonnage par FIB via l’ajout d’un réseau de trous. (c) Simulation du système décrit en (b) (formalisme de la fonction de Green dyadique). Les résultats sont issus de la référence [2] (Ce travail est une collaboration entre les groupes NeO et GNS du CEMES et l’ETH Zurich). © CEMES-CNRS

 

 

Hyperspectral quantum NSOM

 

Figure 4 : Gauche – Représentation schématique d’un émetteur scalaire & quantique attaché à l’apex d’une pointe NSOM [3] et balayé au dessus d’une nano-cavité 2D en argent. Centre – Simulation de la densité d’états locale optiques (LDOS) au dessus d’une cavité de 900 nm de côté. Droite – Comparaison de la LDOS et du signal de fluorescence le long d’une ligne au-dessus de la structure illustée par la flèche jaune dans l’image du centre. Les résultats sont issus de la référence [4] (Ce travail est une collaboration entre l’Institut Néel, le laboratoire ICB et les groupes NeO et GNS du CEMES). © CEMES-CNRS

 

 

Contrôle de la propagation de photons uniques dans des nanostructures en Silicium

 

 Figure 5 : Haut - Images champ large de la luminescence d’un nanodiamant contenant trois centres NV couplé à l’extrémité d’un nanofil de silicium de 7 µm de long. L’image en microscopie électronique de ce fil de section nanométrique est présentée en inset. Bas - Courbes d’autocorrélation mesurées directement sur le nanodiamant (in) et après propagation des photons dans le nanofil (out). Ces courbes présentent le même dégroupement de photons montrant la nature quantique de la source de lumière. Les résultats sont issus de la référence [5] (Ce travail est une collaboration entre le LAAS, le laboratoire ICB et le groupe NeO du CEMES). © CEMES-CNRS

 

 

Positionnement déterministe d’émetteurs quantiques par nanoxérographie AFM

 

Figure 6 : Gauche – Deux images de grandissements différents de microscopie à force atomique (AFM) de nanodiamants positionnés de façon controlée par nanoxerographie AFM sur un substrat SOI. Centre - Image confocale de photoluminescence du nanodiamant présenté en AFM sur l’image de gauche. Droite – Courbe d’autocorrélation présentant du dégroupement de photons acquise sur le même nanodiamant. Ces résultats sont issus de la référence [6]). (Ce travail est une collaboration entre le groupe NeO du CEMES, le groupe Nanotech du LPCNO et le LAAS). © CEMES-CNRS

 

 

[1] Y. Sonnefraud et al., Opt. Lett. 33, 611 (2008).

[2] U. Kumar et al., Nanoscale 12, 13414 (2020).

[3] A. Cuche et al., Nanolett. 10, 4566 (2010).

[4] A. Cuche et al., Phys. Rev. B 95, 121402(R) (2017).

[5] M. Humbert et al., en préparation (2020).

[6] M. Humbert et al., en préparation (2020).