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


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Plasmonique & Nanophotonique Quantique

La Plasmonique & Nanophotonique 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 : (a-b) Simulation (b) et images champ large (a) de la luminescence d’un nanodiamant couplé à une cavité plasmonique 2D cristalline où il est possible de voir la propagation du signal à 2D par l’intermédiaire des plasmons. (c) 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). La courbe orange correspond à la fonction d’autocorrélation du centre NV unique. (d-e) Simulation (d) et images champ large (e) de la luminescence du nanodiamant couplé à la même cavité plasmonique 2D cristalline après façonnage par FIB via l’ajout d’un rédeau de trous. 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 3 : gauche – Représentation schématique d’un émetteur scalaire & quantique attaché à l’apex d’une pointe NSOM et balayé scanned au dessus d’une nano-cavité 2D en argent. Centre – image reconstruite pixel par pixel de la fluorescence d’un nanodiamant au dessus d’une cavité de 500 nm de côté. Droite – Taux d’émission radiatif correspondant simulé pour un émetteur scalaire balayé au-dessus de la même cavité 2D. Les résultats sont issus de la référence [3] (Ce travail est une collaboration entre l’Institut Néel, le laboratoire ICB et les groupes GNS et NeO du CEMES). © CEMES-CNRS

 

 

Transfert de photons uniques dans des nanostructures compatibles CMOS en Silicium

 

 Figure 4 : (a) Spectre de photoluminescence d’un nanodiamant positionné à l’extrémité d’un nanofil de silicium de 7 µm de long (La courbe d’autocorrélation présente un dégroupement de photons montrant la nature quantique de la source de lumière). (b) Image champ large de la fluorescence de ce nanodiamant et de la propagation du signal dans le nanofil. (c) Image en microscopie électronique à balayage du nanofil de silicium. Les résultats sont issus de la référence [4]. © CEMES-CNRS

 

 

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

[2] U. Kumar et al., en préparation (2019).

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

[4] M. Humbert et al., en préparation (2019).