Contrôler l'émission de lumière, photon par photon

La nanophotonique quantique dans ses œuvres : couplage fort, états super-radiants, centres colorés et matériaux 2D

Le développement des technologies quantiques diffuse dans de nombreux champs d'applications en pleine croissance : communication et cryptographie, ordinateur et calcul quantiques, simulateurs, capteurs... Parmi ces avancées, de nombreuses reposent sur le développement de nouvelles sources de photons uniques, afin d'identifier des sources aux propriétés photophysiques adéquates, et permettant de suivre l'évolutivité des technologies développées. L'équipe explore les promesses qu'offre la nanophotonique quantique pour contrôler dans le temps et dans l'espace l'émission de photons uniques de différents émetteurs à l'aide de nanostructures, de résonateurs, d'antennes, ou encore par le biais d'effets collectifs impliquant d'autres émetteurs.

• L’interaction entre un photon unique et un atome est au cœur des technologies quantiques émergeantes. Malheureusement, cette interaction est très faible de manière générale. Pour l’augmenter, nous travaillons à la conception et à la réalisation d’un guide à lumière lente en forme de Peigne. Nous avons optimisé ce guide, afin de permettre un piégeage d’une dizaine d’atomes froids à une distance de l’ordre de 100 nm de sa surface.  Ainsi le taux d’émission d’un atome au sein du guide lent est fortement amplifié. Notre objectif est de réaliser des réseaux quantiques 1D d’atomes s’échangeant de l’information quantique à travers ce nouveau guide en forme de Peigne.
  
• Nous étudions par ailleurs l'émission de photons uniques par les centres colorés du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau bidimensionnel (au même titre que le graphène par exemple), qui présente des centres colorés émetteurs de photons uniques (à l'instar des centres NV du diamant). Les centres colorés de hBN présentent l'avantage de se comporter comme de très bonnes sources de photons uniques (stables et brillantes) même à température ambiante. Par ailleurs, la nature 2D du matériau permet d'envisager son intégration dans des structures tirant partie de sa planéité pour mieux adresser les propriétés des émetteurs (en les localisant et les positionnant avec précision à proximité d'antennes par exemple). L'équipe a donc récemment entamé une activité orientée autour de la localisation, du transfert et du positionnement de ces sources émettrices de photons uniques dans des environnements nanophotoniques, en parallèle de la conception de nanostructures aux fonctionnalités adressant le flux de photons uniques permettant par exemple de collecter l'intégralité du flux émis par ces sources.
   
• De précédents travaux théoriques au sein de l'équipe ont permis également d'étudier les conséquences du couplage dipole-dipole de deux émetteurs identiques proches qui seraient par ailleurs mutuellement accordables en énergie. Le couplage de deux systèmes à deux niveaux donne naissance à de nouveaux quantiques hybrides, dits super-radiant ou sub-radiant, dont les temps de vie sont modifiés. Nous avons montré qu'en jouant en temps réel sur le couplage et le désaccord relatif entre les deux émetteurs, le temps de vie d'émission spontanée pouvait être contrôlé avec précision, sculptant ainsi dans le temps la forme du paquet d'onde du photon unique émis. Nous étudions la possibilité expérimentale de réaliser un tel couplage dans des systèmes à l'état solide, notamment avec les centres colorés d'hBN.
   

• Nous étudions aussi les propriétés collectives qui apparaissent lorsqu’un grand nombre d’atomes froids (de l’ordre de 100) est piégé en espace libre dans un réseau dont le pas est plus petit que la longueur d’onde associée à la transition atomique.

  Dans un tel système, il existe un très grand nombre de modes qui peuvent être extrêmement sous-radiants ou super-radiants. En manipulant localement les fréquences de transition des atomes qui composent la chaine, nous avons proposé un nouveau protocole de contrôle d’un photon unique au cours duquel le photon est absorbé dans son état le plus super-radiant, puis transféré dans sa forme la plus sous-radiante ou il peut être stocké et étudié pendant une très longue durée. Enfin, sur demande, nous pouvons réémettre le photon dans la direction désirée.  

MEMBRES PRESENTS DE LA THEMATIQUE

	Maxime Barreau PhD student (PhD 2027) maxime.barreau@institutoptique.fr Phone / Office : +1 33 64 53 33 66 / R2.52
	Vanessa Yahiaoui Engineering Apprentice vanessa.yahiaoui@institutoptique.fr Phone / Office : +1 33 64 53 33 66 / R2.52
	Dr. Benjamin Vest Maître de Conférences en Optique et Photonique benjamin.vest@institutoptique.fr Téléphone / Bureau : +1 33 64 53 32 74 / R2.54
	Dr. Nikos Fayard Post-doctorant nikos.fayard@institutoptique.fr Téléphone / Bureau : +1 33 64 53 33 44 / R2.17
	Dr. Ilan Shlesinger Ilan a soutenu sa thèse en 2019 et est maintenant en post-doctorat à AMOLF aux Pays-Bas, Son sujet de thèse : "Contrôle de l'émission spontanée de lumière par effets collectifs en présence d'un résonateur."

PUBLICATIONS ASSOCIEES

	Lifetime-Limited and Tunable Quantum Light Emission in h-BN via Electric Field Modulation The authors : Hamidreza Akbari, Souvik Biswas, Pankaj Kumar Jha, Joeson Wong, Benjamin Vest, Harry A Atwater DOI : https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02163 Nano Lett. 2022, 22, 19, 7798–7803
​​	Temperature-dependent Spectral Emission of Hexagonal Boron Nitride Quantum Emitters on Conductive and Dielectric Substrates The authors : Hamidreza Akbari, Wei-Hsiang Lin, Benjamin Vest, Pankaj K. Jha, and Harry A. Atwater DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014036 Phys. Rev. Applied 15, 014036
	Time-frequency encoded single-photon generation and broadband single-photon storage with a tunable subradiant state Les auteurs : Ilan Shlesinger, Pascale Senellart, Loïc Lanco, Jean-Jacques Greffet DOI : https://doi.org/10.1364/OPTICA.396223 Optica Vol. 8,Issue 1, pp. 95-105 (2021)
	Tunable bandwidth and nonlinearities in an atom-photon interface with subradiant states Les auteurs : Ilan Shlesinger, Pascale Senellart, Loïc Lanco, Jean-Jacques Greffet DOI : 10.1103/PhysRevA.98.013813 Phys. Rev. A 98, 013813 (2018)