Asservissement nano-electro-optique pour contrôler le clignotement et le bruit de charges local sur boîtes quantiques colloïdales uniques : vers un contrôle cohérent des états brillants – NEOGate

Proposition
Considérant les récentes avancées en spectroscopie résonante, il est possible d'envisager la manipulation cohérente de la population des états excités de boîtes quantiques colloïdales (BQC) uniques. Ce type d'expériences démontrerait l'utilité de des nano-objets peu onéreux à fabriquer et à intégrer dans des technologies industrielles pour une alternative aux BQ épitaxiées, actuellement à l'état de l'art pour des applications en photonique.

Avant que des expériences aussi ambitieuses soient réalisables avec des BQC, plusieurs problèmes de physique fondamentale doivent être résolus, ce que nous proposons de faire dans NEOGate.

Position du problème
La manipulation cohérente de BQC a pour l'instant été éludée à cause de leur clignotement de luminescence et des fluctuations spectrales de leur émission, signe de déphasage de l'exciton du au bruit de charge. Le clignotement est la conséquence d'une ionisation du coeur des BQC, également responsable en partie des fluctuations spectrales observées en spectroscopie non-resonante et quasi-réosnante. Nous proposons d'agir sur les causes de ces problèmes, qui représentent une barrière pour la réalisation d'expérience de contrôle cohérent avec des BQC.

Suppression du clignotement via la neutralisation du coeur de BQC
Nous allons coupler une pointe de microscope à force électrique (EFM) à un microscope confocal. La pointe servira de nano-électrode pour contrôler l'état de charge d'une BQC enterrée dans une matrice semi-conductrice. Nous voulons effectuer un control local de l'état de charge du coeurde la boîte avec un champ électrique (champ-E) en contrôlant le temps tunnel des électrons et des trous pour sortir de la boîte. Comparée aux électrodes macroscopiques, la pointe EFM permettra d'adresser électriquement un seul nano-objet unique indépendamment de ses voisins. Nous nous attendons à supprimer le clignotement jusqu'à des fréquence de plusieurs dizaines de kHz, presque 2 ordres de grandeurs de plus que l'état de l'art. Nous insistons sur l'universalité de cette méthode, qui peut -être appliquée à beaucoup d'autres nano-objets clignotants.

Contrôle du bruit de charge local (4K)
Les fluctuations spectrales sont dues au bruit de charge local dans l’environnement des BQC.Nous souhaitons le contrôler en combinant spectroscopie résonante à une excitation non-resonante très faible et un champs électrique. Pour cela, nous allons développer un microscope de fluorescence résonante dans le visible basé sur une réjection en polarisation des photons laser rétro-diffusés. Cette équipement permettra la première étude de la fluorescence résonante de BQC en fonction de la population des pièges environnants. L'excitation non-resonante servira d'électrode optique pour contrôler le champ-E local. De cette manière, nous allons contrôler le bruit de charge local et nous nous attendons à diminuer drastiquement les fluctuations spectrales associées.

Parties cohérente/incohérente du spectre de fluorescence résonante (4K)
Nous tentons de montrer qu'une BQC unique dans un environnement électriquement calme se résume à un système à deux niveaux, utilisable pour des applications d'information quantique. En commençant par la partie incohérente (haute puissance) du spectre, nous mesurerons pour la première fois les oscillations de Rabi de l'exciton, démontrant ainsi que la manipulation d'un qubit est possible dans ces BQCs. Nous montrerons à travers la mesure de l'analogue spectral (le triplet de Mollow) qu'une interaction forte entre la lumière et une BQC unique est possible. Enfin, en mesurant la partie cohérente (basse puissance) du spectre, nous démonterons qu'une BQC unique peut devenir une source de photons unique dans le visible avec une émission ultra-cohérence (meilleure que la limite radiative) pour des applications de type résaux quantique hybride couplant BQC et mémoires quantiques de type atomes/ions uniques