laboratoire pierre aigrain
électronique et photonique quantiques
 
laboratoire pierre aigrain
 

Optique cohérente et non linéaire



Chercheurs
Emmanuel Baudin
Yannick Chassagneux
Carole Diederichs
Gabriel Hétet
Philippe Roussignol
Christophe Voisin

Emerite
Claude Delalande
Christos Flytzanis

Doctorants
Simon Berthou
Théo Claude
Tom Delord-Carnaut
Adrien Jeantet
Romaric Le Goff
Louis Nicolas
Christophe Raynaud

Stagiaires
Gabriel Chatelain
Louis Lecordier

Le groupe "Optique Cohérente et Non Linéaire" s’intéresse aux propriétés optiques de nano-objets qu’ils s’agissent d’hétérostructures de semiconducteurs ou d’objets moins classiques comme les nanotubes de carbone, les nano-diamants ou les structures bidimensionnelles à base de dichalcogénures de métaux de transition. Ces objets peuvent constituer les briques élémentaires nécessaires au développement du traitement quantique de l’information en matière condensée. Cela peut aller dans notre cas de la réalisation de nouvelles sources lumineuses non classiques à la conception de nouveaux dispositifs de traitement de l’information ou de nouveaux dispositifs opto-électroniques.

  • Contact :

  • Christophe Voisin

  • Contact :

  • Philippe Roussignol

L’activité actuelle se développe autour de plusieurs thèmes :

- Spectroscopie de nanotubes de carbone uniques

Les nanotubes de carbone sont des molécules dont la structure de base est très simple : un plan graphitique enroulé sur lui-même et formant un tube dont la longueur typique est 1 µm. Le diamètre du tube est lui de l’ordre du nanomètre. Ce nano-objet, quasi-unidimensionnel, possède de nombreuses propriétés originales tant mécaniques qu’électroniques.
L’étude des propriétés optiques des nanotubes (mis à part le Raman) n’a vraiment commencé à s’intensifier qu’à la suite de la publication en 2002 d’un article du groupe de Rice University décrivant l’observation d’un signal de photoluminescence à température ambiante dans des nanotubes mis en solution. En effet, pour émettre de la lumière les nanotubes doivent être isolés les uns des autres alors qu’ils s’aggrègent naturellement en faisceaux. Nous avons développés des techniques optiques d’étude des nanotubes de carbone. Nous avons notamment démontré comment adresser une famille spécifique de nanotubes dans un ensemble en combinant excitation optique sélective et détection appropriée. Des mesures de spectroscopie résolue en temps nous ont permis de démontrer le rôle clé joué par les interactions nanotube-nanotube et nanotube-environnement dans le processus d’émission de lumière. De plus des mesures effectuées à basse température nous ont permis d’expliciter la structure excitonique de ces nano-objets.
Ces études ont été menées sur de larges ensembles de tubes et sont donc sujettes à des effets de moyenne. A l’heure actuelle nous travaillons à les effectuer sur un nanotube unique.

(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Nanotubes de carbone")

- Optique quantique avec les centres colorés du diamant

Les centres NV ou SIV du diamant offrent la possibilité d’observer à l’état solide des phénomènes d’électrodynamique quantique étudiés jusqu’alors dans des systèmes atomiques.
La lumière provenant d’un centre NV unique peut, par exemple, être réfléchie par un miroir distant afin de contrôler l’émission spontanée du centre NV.
Nous développons ainsi une expérience où un centre NV jouera le rôle de miroir dans une demi-cavité optique.
Un autre aspect développé concerne des nano-diamants en lévitation dans un piège de Paul. Le centre coloré sert alors à suivre et contrôler le mouvement du nano-diamant. L’idée de base consiste à refroidir le système pour des applications en opto-mécanique.

(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique : "Centre colorés du diamant pour l’optique quantique").

- Motifs de Turing dans les microcavités

La spécificiité des microcavités de semi-conducteur réside dans la possibilité d’atteindre une situation de couplage fort lumière-matière. Dans ce régime les états propres du système, les polaritons, sont composites. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux processus de diffusion paramétrique qui existent dans ces systèmes. De fait, dans certaines conditions l’oscillation paramétrique optique donne naissance à des propriétés intrigantes comme l’organisation spontanée de la lumière émise en motifs géométriques (octogones, hexagones, carrés...). La compréhension des mécanismes responsables de ce comportement permet d’envisager la réalisation de dispositifs non-linéaires comme des interrupteurs tout-optique.

(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Microcavités de semiconducteurs")

- Hétérostructures de Van der Waals

Durant la dernière décennie les études sur le graphène ont permis de nombreuses avancées dans des domaines variés allant de l’électronique ultra-rapide à la métrologie. Cependant le graphène est un semiconducteur à gap nul et donc une mono-couche de graphène n’est pas appropriée à des applications en optoélectronique ou comme émetteur de lumière en nanophotonique. Différentes possibilités sont étudiées pour obtenir des structures semiconductrices similaires au graphène. La plus populaire est le développement des dichalcogénures de métaux de transition (TMD), qui sont aussi des matériaux bi-dimensionnels avec une structure similaire au graphène et possédant des gaps optiques directs (ou indirects). On observe alors un fort signal de photoluminescence excitonique du proche infrarouge au visible. Le contrôle du spin des états excités par la polarisation d’un faisceau lumineux d’excitation ouvre la voie à l’opto-spintronique. Le développement d’hétérostructures combinant des monocouches de TMD, de graphène ou de nitrure de Bore permet aussi de construire de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Hétérostructures de Van der Waals")

- Source de photons uniques ultra-cohérente avec des boîtes quantiques InAs/gaAS

Dans un modèle d’atome artificiel, une boîte quantique peut être considérée comme un système à deux niveaux. Elle constitue donc une structure prometteuse pour la réalisation de dispositifs intégrés comme des sources de photons uniques pour d’éventuelles applications en informatique quantique. Cependant, contrairement à un atome une boîte quantique de semiconducteur est un système de matière condensée qui souffre de son couplage avec son environnement. Ceci entraîne une dégradation de la cohérence des photons uniques émis.
En utilisant un dispositif expérimental original qui découple les chemins optiques de détection et d’excitaion nous sommes capable d’exciter, à basse température, une boîte unique de façon strictement résonante avec sa transition fondamentale. Nous pouvons ainsi limiter les mécanismes de décohérence et pratiquement atteindre la limite radiative ou T_2=2T_1. Ceci nous a permis d’explorer le régime de diffusion Rayleigh résonnante (RRS) regime où une boîte émet un seul photon qui conserve la cohérence du laser d’excitation. La source de photons uniques "ultra-cohérente" obtenue ouvre la voie à la réalisation de dispositifs intégrés où la génération de photons indiscernables est gouvernée par la source laser d’excitation.

(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Boîtes quantiques")