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Couplage contrôlé d’émetteurs quantiques à des nano-antennes diélectriques à haut indice

Des sources de photons uniques améliorées pour les communications quantiques

par Guy Molénat - publié le , mis à jour le

Des chercheurs du CEMES, en collaboration avec le LPCNO, le LAAS et le CEA-LETI, ont utilisé la nanoxérographie AFM pour le positionnement à grande échelle de nano-émetteurs quantiques dans le champ proche de nano-antennes à haut indice en silicium. Ils ont démontré l’augmentation de la brillance de ces nanosources en fonction de la taille des nano-antennes. Ce travail collaboratif ouvre la voie à de nouvelles architectures de réseaux de sources de photons uniques performantes pour les technologies quantiques.

Avec l’émergence des technologies quantiques pour le transfert d’information, un enjeu majeur est la manipulation de sources de lumière quantique à l’échelle nano, et le contrôle de leur émission en champ lointain. Une approche, se basant sur des nano-structures optiquement résonantes, a démontré la possibilité de contrôler et d’exalter l’émission d’émetteurs quantiques précisément positionnés dans leur champ proche optique. Dans ce contexte, les nanostructures diélectriques à haut indice supportant des résonances de Mie dans le visible, et compatible avec les technologies CMOS, offrent des perspectives particulièrement prometteuses car elles permettent de manipuler, concentrer et rediriger la lumière avec de faibles pertes.

Des chercheurs du CEMES, en collaboration avec le LPCNO, le LAAS et le CEA-LETI, ont démontré que la nanoxérographie AFM rend possible le positionnement rapide, robuste, répétable et à grande échelle d’émetteurs quantiques modèles (nanodiamants contenant des centres NV) dans le gap de nano-antennes en silicium avec une géométrie de type dimère.

En ajustant les paramètres de la nanoxérographie, le nombre de nanodiamants déposés peut être statistiquement contrôlé, jusqu’à des configurations à un seul émetteur de photons uniques, et cela avec une bonne sélectivité et une augmentation de la brillance de la source induit par effet Purcell en champ proche. Les simulations numériques sont en très bon accord avec les expériences de photoluminescence résolues en temps, et une analyse multipolaire révèle tous les aspects du couplage entre les émetteurs dipolaires et les résonances de Mie dans ces nano-antennes simples. Cette démonstration expérimentale ouvre la voie à un véritable contrôle spatial à grande échelle du couplage d’émetteurs quantiques à des réseaux des nano-antennes optimisées. Cela jette les bases de futures études fondamentales en nano-optique quantique et de futurs dispositifs intégrés pour les technologies quantiques.

(a) Image en champ sombre d’un réseau de nano-antennes en silicium avec différentes tailles (se traduisant par différentes couleurs perçues). (b) En haut : vue artistique d’une antenne dimère unique couplée à un émetteur quantique. Au milieu : image AFM de l’antenne en (a) (carré rouge) avec des nanodiamants positionnés dans le gap. En bas : image de photoluminescence correspondante. (c) Fonction d’autocorrélation mesurée sur l’antenne dimère en (a) (carré rouge).

Ce travail a été finance par les projets NanoX MILO (ANR-10-LABX-0037-NEXT), ANR HiLight (ANR-19-CE24-0026-HiLight), IQO-MILO et CALMIP P1107

 

Publication :

" Large-scale controlled coupling of single-photon emitters to high index dielectric nanoantennas using AFM nanoxerography "
Mélodie Humbert, Romain Hernandez, Nicolas Mallet, Guilhem Larrieu, Vincent Larrey, Frank Fournel, François Guérin, Etienne Palleau, Vincent Paillard, Aurélien Cuche, Laurence Ressier
Nanoscale
2023, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D2NR05526K

Contact :
Aurélien Cuche, aurelien.cuche[chez]cemes.fr