Les boîtes quantiques de semiconducteurs sont communément décrites comme des atomes artificiels à l'état solide, et la dynamique de décohérence dans ce système est conditionnée par les fluctuations de l'environnement de la boîte quantique. En effet, l'existence d'une matrice solide pour ces nanostructures artificielles conduit à la présence d'impuretés, de défauts, de charges localisés autour de la boîte quantique. Par effet Stark quantique confiné, les micro-champs électriques créés par les défauts environnants modifient l'énergie d'émission de la boîte quantique. Les fluctuations de configuration de l'environnement conduisent alors à des décalages énergétiques aléatoires du profil d'émission, c'est l'effet de diffusion spectrale qui se produit sur des échelles énergétiques allant de quelques µeV à plusieurs meV en fonction des matériaux employés pour fabriquer les boîtes quantiques. Ce mécanisme a été mis en évidence pour des boîtes quantiques de semiconducteurs par des expériences de spectroscopie de photoluminescence à l'échelle d'une boîte quantique unique [1]. Un effet de diffusion spectrale photo-induite a été observé avec des temps caractéristiques de fluctuations de l'énergie d'émission allant de quelques microsecondes à plusieurs minutes. Dans cet exposé, je présenterai nos résultats récents qui montrent l'existence d'un régime de rétrécissement par le mouvement pour le phénomène de diffusion spectrale [2]. Des expériences de spectroscopie par transformée de Fourier à très haute résolution spectrale sur le signal de photoluminescence d'une boîte quantique unique nous ont permis de mettre en évidence une modification du profil de raie qui est lorentzien à basse puissance d'excitation ou basse température, et qui devient gaussien en augmentant ces paramètres. La transition entre ces deux types de profil montre des régimes de modulation de l'environnement fluctuant différents, le profil lorentzien étant la signature d'un effet de rétrécissement par le mouvement pour le phénomène de diffusion spectrale. Cette manifestation de rétrécissement par le mouvement est tout à fait inhabituelle dans la mesure où elle se produit à faible puissance d'excitation et basse température, contrairement à la phénoménologie standard décrite en résonance magnétique nucléaire. Je présenterai une interprétation quantitative de ces résultats et expliquerai que le caractère inhabituel de cet effet provient de l'assymétrie des processus de capture et échappement des porteurs dans les pièges au voisinage de la boîte quantique. Je discuterai par ailleurs les conséquences de cette phénoménologie non-standard sur la dynamique du déphasage assisté par phonons. [1] S. A. Empedocles, D. J. Norris and M. G. Bawendi, Phys. Rev. Lett. 77, 3873 (1996). [2] A. Berthelot, I. Favero, G. Cassabois, C. Voisin, C. Delalande, Ph. Roussignol, R. Ferreira, and J. M. Gérard, Nat. Phys. 2, 759 (2006).
Les boîtes quantiques de semiconducteurs sont communément décrites comme des atomes artificiels à l'état solide, et la dynamique de décohérence dans ce système est conditionnée par les fluctuations de l'environnement de la boîte quantique. En effet, l'existence d'une matrice solide pour ces nanostructures artificielles conduit à la présence d'impuretés, de défauts, de charges localisés autour de la boîte quantique. Par effet Stark quantique confiné, les micro-champs électriques créés par les défauts environnants modifient l'énergie d'émission de la boîte quantique. Les fluctuations de configuration de l'environnement conduisent alors à des décalages énergétiques aléatoires du profil d'émission, c'est l'effet de diffusion spectrale qui se produit sur des échelles énergétiques allant de quelques µeV à plusieurs meV en fonction des matériaux employés pour fabriquer les boîtes quantiques. Ce mécanisme a été mis en évidence pour des boîtes quantiques de semiconducteurs par des expériences de spectroscopie de photoluminescence à l'échelle d'une boîte quantique unique [1]. Un effet de diffusion spectrale photo-induite a été observé avec des temps caractéristiques de fluctuations de l'énergie d'émission allant de quelques microsecondes à plusieurs minutes. Dans cet exposé, je présenterai nos résultats récents qui montrent l'existence d'un régime de rétrécissement par le mouvement pour le phénomène de diffusion spectrale [2]. Des expériences de spectroscopie par transformée de Fourier à très haute résolution spectrale sur le signal de photoluminescence d'une boîte quantique unique nous ont permis de mettre en évidence une modification du profil de raie qui est lorentzien à basse puissance d'excitation ou basse température, et qui devient gaussien en augmentant ces paramètres. La transition entre ces deux types de profil montre des régimes de modulation de l'environnement fluctuant différents, le profil lorentzien étant la signature d'un effet de rétrécissement par le mouvement pour le phénomène de diffusion spectrale. Cette manifestation de rétrécissement par le mouvement est tout à fait inhabituelle dans la mesure où elle se produit à faible puissance d'excitation et basse température, contrairement à la phénoménologie standard décrite en résonance magnétique nucléaire. Je présenterai une interprétation quantitative de ces résultats et expliquerai que le caractère inhabituel de cet effet provient de l'assymétrie des processus de capture et échappement des porteurs dans les pièges au voisinage de la boîte quantique. Je discuterai par ailleurs les conséquences de cette phénoménologie non-standard sur la dynamique du déphasage assisté par phonons. [1] S. A. Empedocles, D. J. Norris and M. G. Bawendi, Phys. Rev. Lett. 77, 3873 (1996). [2] A. Berthelot, I. Favero, G. Cassabois, C. Voisin, C. Delalande, Ph. Roussignol, R. Ferreira, and J. M. Gérard, Nat. Phys. 2, 759 (2006).
Depuis plusieurs années, de nombreux groupes essayent d'exploiter les postulats de la physique quantique pour d'éventuelles applications dans les sciences des télécommunications, stockage et transmissions de l'information ou même cryptographie. Dans ce contexte, ces travaux ont mis en évidence le rôle essentiel que pourrait jouer un quasi atome en tant que stockage de qbit ou comme source de photon unique. La boîte quantique de semiconducteur, produite par croissance auto-organisée (Stranski-Krastanov), apparaît pour l'instant comme une des meilleurs candidats pour remplacer l'atome unique. En effet la boîte quantique, de par ses dimensions nanométriques, assure un confinement tridimensionnel des porteurs et possède donc des niveaux d'énergie discrets. Mais encore faut-il préciser les limites de cette analogie. On ne peut pas isoler totalement la boîte quantique de son environnement. Une boîte est en contact avec un certain nombre de réservoirs (phonons du réseau, environnement électrostatique fluctuant) Nos travaux ont donc pour but de comprendre des phénomènes de décohérence pouvant perturber la boîte quantique Au cours de la présentation, après avoir rappeler les propriétés essentielles des boîtes quantiques, je présenterai les expériences avec lesquelles on peut sonder les phénomènes de décohérence (Spectrométrie par transformée de Fourier sur la raie de la transition fondamentale d'une boîte quantiques). Puis j'exposerai les résultats obtenus qui nous ont permis de mettre en évidence le rôle essentiel que jouent les fluctuations de l'environnement électrostatique sur la cohérence des états de la boîte quantique. Ce sont ces fluctuations qui engendrent un phénomène de rétrécissement par le mouvement affectant la largeur de la raie à 0 phonon et expliquant son élargissement en température [1]. Enfin j'exposerai les dernières expérimentations qui placent les boîtes quantiques sous champ électrique transverse, permettant de modifier les fluctuations de l'environnement électrostatique et donc de contrôler les phénomènes de décohérence. [1] A. Berthelot, I. Favero, G. Cassabois, C. Voisin, C. Delalande, Ph. Roussignol, R. Ferreira, and J. M. Gerard, Nature Phys. 2, 759 (2006).
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.
Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique.
Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons.
Dans le but de realiser des portes logiques quantique tout optique, ce travail de these explore la possibilite d'utiliser des boites quantiques semiconductrices de la famille des II-VI comme source de photons uniques indiscernables. Dans ce cadre general de l'information quantique, nous nous sommes attaches a mettre en place les moyens necessaires pour etudier la formation d'excitons et de multiexcitons dans les boites quantiques. A temperature de l'helium liquide, nous avons effectue des etudes spectroscopiques puis des etudes sur la statistique des photons emis par les boites. A l'aide d'un montage de correlations de photons a haute resolution temporelle, de l'ordre de 100 ps, nous avons pu mettre en avant l'effet de degroupement de photons, signature d'une source de photons uniques. Cet effet purement quantique a ete demontre en regime continu et en regime impulsionnel. En utilisant deux spectrometres, nous avons aussi montre l'effet de correlations croisees de photons entre un exciton d'une boite et son biexction associe. Une fois ce travail valide, il nous a fallu etudier le caractere indiscernable des photons emis les boites quantiques. L'indiscernabilite etant relie a la purete spectrale des photons emis, des mesures de coherence optique ont ete necessaire. Ces mesures ont montre des premiers resultats plutot negatifs. Parallelement, diverses methodes de pompage, de creation des porteurs dans les boites ont ete etudie de facon a optimiser et a allonger la longueur de coherence des photons crees par les excitons se recombinant. Pour terminer, des possibilites d'experiences futures ou d'experiences a completer sont decrites