Centres colorés dans les nanodiamants pour des applications en optique quantique L’intérêt de trouver un émetteur quantique émettant des photons uniques à la demande devient de plus en plus important dans le domaine de l'optique quantique. Les centres colorés dans les nanodiamants (NDs) se révèlent être des candidats prometteurs. Cependant, la production de NDs ayant des centres colorés brillants et émettant des photons indiscernables reste un défi. Dans cette thèse, nous étudions les centres colorés du groupe IV, en particulier le SiV- et le GeV-, synthétisés par la méthode haute pression haute température (HPHT). Nous étudions l'effet des différents paramètres de croissance sur les propriétés optiques du SiV- et rapportons la largeur de raie la plus étroite de 6 GHz pour un ensemble de SiV- sous excitation hors résonante. En raison de la faible probabilité de trouver un SiV- unique, nous avons dirigé notre attention vers les GeV- où la probabilité de trouver un photon unique était significativement plus élevée. Ces GeV- possèdent des propriétés spectrales remarquables à température ambiante, y compris une raie à zéro phonon (ZPL) stable et brillante. Nous étudions la dynamique de leur population dans le cadre d'un modèle à trois niveaux. Nous rapportons un taux maximal de comptage d'émission de photons de 1,6 Mcps à saturation et une visibilité en polarisation de 92% de la lumière de fluorescence. Outre la ZPL, nous observons d'autres transitions électroniques situées dans la bande latérale des phonons du GeV-. Nous démontrons que la méthode HPHT produit des SiV- et GeV- dans les NDs ayant des propriétés optiques supérieures pour des applications en optique quantique.
Centres colorés dans les nanodiamants pour des applications en optique quantique L’intérêt de trouver un émetteur quantique émettant des photons uniques à la demande devient de plus en plus important dans le domaine de l'optique quantique. Les centres colorés dans les nanodiamants (NDs) se révèlent être des candidats prometteurs. Cependant, la production de NDs ayant des centres colorés brillants et émettant des photons indiscernables reste un défi. Dans cette thèse, nous étudions les centres colorés du groupe IV, en particulier le SiV- et le GeV-, synthétisés par la méthode haute pression haute température (HPHT). Nous étudions l'effet des différents paramètres de croissance sur les propriétés optiques du SiV- et rapportons la largeur de raie la plus étroite de 6 GHz pour un ensemble de SiV- sous excitation hors résonante. En raison de la faible probabilité de trouver un SiV- unique, nous avons dirigé notre attention vers les GeV- où la probabilité de trouver un photon unique était significativement plus élevée. Ces GeV- possèdent des propriétés spectrales remarquables à température ambiante, y compris une raie à zéro phonon (ZPL) stable et brillante. Nous étudions la dynamique de leur population dans le cadre d'un modèle à trois niveaux. Nous rapportons un taux maximal de comptage d'émission de photons de 1,6 Mcps à saturation et une visibilité en polarisation de 92% de la lumière de fluorescence. Outre la ZPL, nous observons d'autres transitions électroniques situées dans la bande latérale des phonons du GeV-. Nous démontrons que la méthode HPHT produit des SiV- et GeV- dans les NDs ayant des propriétés optiques supérieures pour des applications en optique quantique.
L’intérêt de trouver un émetteur quantique émettant des photons uniques à la demande devient de plus en plus important dans le domaine de l'optique quantique. Les centres colorés dans les nanodiamants (NDs) se révèlent être des candidats prometteurs. Cependant, la production de NDs ayant des centres colorés brillants et émettant des photons indiscernables reste un défi. Dans cette thèse, nous étudions les centres colorés du groupe IV, en particulier le SiV- et le GeV-, synthétisés par la méthode haute pression haute température (HPHT). Nous étudions l'effet des différents paramètres de croissance sur les propriétés optiques du SiV- et rapportons la largeur de raie la plus étroite de 6 GHz pour un ensemble de SiV- sous excitation hors résonante. En raison de la faible probabilité de trouver un SiV- unique, nous avons dirigé notre attention vers les GeV- où la probabilité de trouver un photon unique était significativement plus élevée. Ces GeV- possèdent des propriétés spectrales remarquables à température ambiante, y compris une raie à zéro phonon (ZPL) stable et brillante. Nous étudions la dynamique de leur population dans le cadre d'un modèle à trois niveaux. Nous rapportons un taux maximal de comptage d'émission de photons de 1,6 Mcps à saturation et une visibilité en polarisation de 92% de la lumière de fluorescence. Outre la ZPL, nous observons d'autres transitions électroniques situées dans la bande latérale des phonons du GeV-. Nous démontrons que la méthode HPHT produit des SiV- et GeV- dans les NDs ayant des propriétés optiques supérieures pour des applications en optique quantique.
Le travail décrit dans ce manuscrit porte sur l’élaboration d’une interface atome-champ originale pour un émetteur de la matière condensée : un système de demi-cavité composé d’un miroir et d’une lentille à forte ouverture numérique. Ce système permet de contrôler et en particulier d’augmenter le temps de vie d’un dipôle niché au sein d’un cristal situé au point focal de la lentille alors même que la distance entre l’atome et le miroir est très grande devant la longueur d’onde. Utiliser un tel système permet aussi d’obtenir une interaction forte entre un champ résonant fortement focalisé et l’atome. Pour cet objectif, les centres colorés du diamant sont des atomes artificiels de choix car ils présentent des propriétés de photoluminescence exceptionnelles. Une grande partie du travail effectué durant cette thèse a été dédiée à l’élaboration d’une plateforme expérimentale permettant d’étudier les propriétés de photoluminescence dans le domaine visible de systèmes de la matière condensée à température cryogénique afin de trouver les émetteurs adéquats pour réaliser cette interface. Nous avons caractérisé de nouveaux échantillons dans le cadre de collaborations avec des laboratoires spécialisés dans la croissance du diamant, en particulier des nanodiamants contenant des centres SiV- et GeV- aux propriétés optiques prometteuses. La photoluminescence de pointes en diamant nanométriques contenant des centres SiV- a été particulièrement étudiée. Un effet de photochromisme a été observé et nous a permis de mesurer la largeur de raie homogène d’un ensemble de centres SiV- élargi inhomogènement. Cette largeur se rapproche de la limite radiative. Nous donnons une explication de ce phénomène de photochromisme corroborée par différentes mesures. Enfin, des expériences préliminaires ont été réalisées en demi-cavité. Nous montrons comment la modification du temps de vie peut être mesurée en présence d’élargissement inhomogène en utilisant un second interféromètre en aval de la demi-cavité.
Electrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés dans le silicium : des ensembles à la source de photons uniques Les photons sont d’excellents porteurs d’information quantique. La génération, manipulation et mesure d’états quantiques photoniques ont permis des avancées pionnières dans le domaine de la physique quantique, ouvrant la voie vers des technologies disruptives. La photonique quantique intégrée, c’est-à-dire la manipulation de photons sur puce, est à l’avant-garde de cette révolution. En particulier, les circuits intégrés sur silicium sont devenus la principale plateforme pour la photonique quantique à grande échelle. Cependant, la difficulté à injecter sur-demande des photons dans une puce en silicium est un obstacle majeur au niveau de complexité atteignable par les systèmes actuels. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents uniques dans le silicium, appelés centres colorés, ouvre la voie vers l’intégration de sources atomiques de photons uniques. Bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques.Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Les efforts sont d’abord orientés sur des ensembles de centres G dans des cavité de type micro-anneau. Leurs propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de microphotoluminescence, et une exaltation de leur taux d’émission zéro phonon est démontrée. Cependant, une analyse quantitative révèle une faible efficacité quantique, motivant le choix d’un autre émetteur pour la suite. L’attention est alors tournée vers le centre W. Une exaltation du taux de recombinaison total est obtenue pour un ensemble de centres W en cavité à miroir de Bragg circulaire. Grâce à une analyse quantitative basée sur du calcul par différences finies dans le domaine temporel, une haute efficacité quantique est estimée. Ces résultats étant encourageants dans le cadre de l’émission de photons uniques, un montage optique est développé pour résoudre des émetteurs uniques et une stratégie est mise en place pour fabriquer des émetteurs isolés, menant à l’observation de centres W uniques dans du silicium-sur-isolant non-gravé. En utilisant un procédé de fabrication permettant un positionnement déterministe, les émetteurs sont intégrés dans des cavité à miroir de Bragg circulaire, menant à une exaltation de leur intensité de photoluminescence de plusieurs ordres de grandeur par effet Purcell. Ce travail mène à la démonstration d’une source d’impulsions à photons uniques.Un prochain jalon sera la démonstration d’une source de photons uniques pour la photonique quantique intégrée, à partir d’un centre coloré dans une cavité optique couplée à un guide d’onde. Au-delà de l’intérêt pour la photonique quantique intégrée, l’observation d’une photoluminescence intense pour un centre unique offre la perspective d’un plus large panel d’expériences, permettant de sonder des questions fondamentales liées à leur photophysique.
Le travail décrit dans ce manuscrit porte sur l’élaboration d’une interface atome-champ originale pour un émetteur de la matière condensée : un système de demi-cavité composé d’un miroir et d’une lentille à forte ouverture numérique. Ce système permet de contrôler et en particulier d’augmenter le temps de vie d’un dipôle niché au sein d’un cristal situé au point focal de la lentille alors même que la distance entre l’atome et le miroir est très grande devant la longueur d’onde. Utiliser un tel système permet aussi d’obtenir une interaction forte entre un champ résonant fortement focalisé et l’atome. Pour cet objectif, les centres colorés du diamant sont des atomes artificiels de choix car ils présentent des propriétés de photoluminescence exceptionnelles. Une grande partie du travail effectué durant cette thèse a été dédiée à l’élaboration d’une plateforme expérimentale permettant d’étudier les propriétés de photoluminescence dans le domaine visible de systèmes de la matière condensée à température cryogénique afin de trouver les émetteurs adéquats pour réaliser cette interface. Nous avons caractérisé de nouveaux échantillons dans le cadre de collaborations avec des laboratoires spécialisés dans la croissance du diamant, en particulier des nanodiamants contenant des centres SiV- et GeV- aux propriétés optiques prometteuses. La photoluminescence de pointes en diamant nanométriques contenant des centres SiV- a été particulièrement étudiée. Un effet de photochromisme a été observé et nous a permis de mesurer la largeur de raie homogène d’un ensemble de centres SiV- élargi inhomogènement. Cette largeur se rapproche de la limite radiative. Nous donnons une explication de ce phénomène de photochromisme corroborée par différentes mesures. Enfin, des expériences préliminaires ont été réalisées en demi-cavité. Nous montrons comment la modification du temps de vie peut être mesurée en présence d’élargissement inhomogène en utilisant un second interféromètre en aval de la demi-cavité.
Les sources de photons uniques sont la brique élémentaire pour la construction d'un réseau de télécommunication quantique. Elles doivent permettre d'émettre efficacement et sur-demande des photons uniques dans les bandes télécoms à température ambiante, tout en étant facilement intégrables et accordables. Les nanotubes de carbone semi-conducteurs sont des candidats intéressants car l'énergie des photons émis peut être choisie en sélectionnant leur diamètre. Ils ont cependant l'inconvénient de n'émettre des photons uniques qu'à température cryogénique et avec un faible rendement quantique. Ces dernières années, beaucoup d'attention a été portée au greffage covalent de fonctions chimiques à la surface des nanotubes permettant notamment l'émission de photons uniques à température ambiante et dans les bandes télécoms. Dans un premier temps, afin de mieux saisir les mécanismes d'émission de photons de ces nanotubes greffés, des études de photoluminescence à température cryogénique ont été menées par imagerie hyper-spectrale super-résolue, par spectroscopie résolue en excitation et par corrélation d'intensité. Nous avons ainsi vérifié que l'environnement local de l'exciton piégé était responsable des multiples signatures dans l'absorption et l'émission de lumière de ce système. Pour tirer pleinement parti du potentiel de ces émetteurs comme sources quantiques de lumière, nous les avons couplés à une micro-cavité Fabry-Pérot fibrée. Cette géométrie ouverte permet un maximum de souplesse pour obtenir l'accord spatial et spectral à chaque émetteur. Elle permet de plus de comparer les propriétés d'un même nano-émetteur en espace libre et en cavité, pour une étude fine des effets d'électrodynamique quantique en cavité. Cette grande souplesse du dispositif, nous a permis d'observer la reconfiguration de l'émission d'un émetteur isolé par l'effet Purcell grâce des mesures spectroscopique ou des mesures de temps de vie. Ainsi le taux d'émission des photons a pu être augmenté d'un facteur 30. En tirant profit de l'accordabilité de la cavité, nous avons pu vérifier les variations du facteur de Purcell et du couplage lumière-matière en fonction du volume de mode ainsi qu'un effet original d'électrodynamique quantique en cavité : le couplage tripartite exciton/phonons/cavité.
Les oxydes cristallins dopés aux terres rares (TR) et les centres colorés (NV-) dans le diamant sont des interfaces lumière-matière prometteuses pour les applications dans les technologies quantiques. En effet, ils présentent des propriétés exceptionnelles respectivement pour les transitions optiques et de spin, dont la combinaison au sein d'une structure hybride de haute qualité pourrait apporter des fonctionnalités innovantes. Cette thèse étudie un système à base de couches minces dans lequel les ions TR dans les oxydes et les centres NV- dans le diamant peuvent interagir en raison de leur proximité, tout en préservant leurs propriétés uniques. Pour ce faire, nous proposons la synthèse d'Y2O3 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur des diamants dopés à l'azote. L'optimisation du dépôt nous permet d'obtenir des couches minces d'oxyde bien cristallisées et hautement texturées. Une étude spectroscopique approfondie des transitions télécom de l'Er3+ à température cryogénique révèle en outre que les déclins de photoluminescence sont proches de ceux mesurés dans les cristaux massifs. Il est intéressant de noter que le dépôt n'a pas d'effets négatifs sur les propriétés optiques et de spin des centres NV-, ce qui valide notre approche et cette combinaison de matériaux. Dans un deuxième temps, des films d'oxyde ultra-minces (~15 nm) sont étudiés, puisque les interactions RE-NV- devraient se produire sur une distance de quelques nm. Ce travail met en évidence l'importance d'un état de surface du diamant approprié pour obtenir des films bien cristallisés. Enfin, la structure et les propriétés optiques de films de Y2O3 dopés au Tb3+ sont décrites. Notre technique de dépôt nous permet de limiter les effets d'extinction de la luminescence liées à la concentration tout en obtenant des films à gros grains et à forte luminescence. Ces résultats prometteurs constituent les premiers pas vers le développement de couches minces Y2O3 dopés RE déposées sur des diamants dopés avec des centres NV-, ouvrant ainsi des perspectives dans la production d'une plateforme hybride innovante avec de nouvelles fonctionnalités pour la détection et les communications quantiques.