'Deterministic coupling of nanodiamonds hosting nitrogen-vacancy centres to silicon nano-antennas using AFM-nanoxerography : towards the control of light emitted by single-photon sources
Couplage déterministe de nanodiamants contenant des centres azote-lacune à des nano-antennes de silicium par nanoxérographie-AFM : vers le contrôle de l’émission de sources de photons uniques
Résumé
Nano-structures made of high refractive index dielectric materials support Mie resonances in the visible spectrum. Those electric and magnetic resonances are responsible for a strong localisation and exaltation of the electromagnetic field in the near-field of such structures, hence modifying the photonic local density of states. Therefore, light emission from quantum emitters positioned in the vicinity of such dielectric nano-antennas can be modified by Purcell effect. This topic of nano-optics has become increasingly important. Coupling individual quantum emitters with optical nano-antennas is crucial for the development of single-photon sources at a nanometre scale, paving the way for applications in quantum technologies. In this context, the objective of this thesis is to couple nitrogenvacancy (NV) centres hosted in colloidal nanodiamonds to silicon (dielectric material with a refractive index n ~ 4) nano-antennas to control the luminescence of those emitters at the single-photon level. First, spectral and modal filtering of propagating photons emitted by NV centres randomly dispersed near silicon nanowires with different sections has been studied, confirming the central importance of emitter’s position in relation to nano-structures. To address this issue of controlling the emitters’ relative position, we developed an atomic force microscopy (AFM) nanoxerography protocol allowing to carry out directed and selective assemblies composed of a controlled number of nanodiamonds (down to a single nano-object) on a SiO2/Si substrate. Finally, we used AFM-nanoxerography to assemble a very few nanodiamonds, down to a unique single-photon emitter, in the nanometre-sized gap of silicon dimers fabricated by electron-beam nanolithography on a silicon-on-insulator (SOI) substrate. This proof-of-principle has demonstrated the possibility to control the emission rate of NV centres optically coupled to silicon nano-antennas with a simple geometry. These results have shown that AFM-nanoxerography is a versatile, robust and quick assembly technique allowing to deterministically position quantum emitters in the immediate proximity of dielectric nano-antennas, in a reproducible manner on a micrometre-sized surface, in order to control their coupling, including in the single-photon regime. This work paves the way to the elaboration of more complex coupled systems with optimized optical performances.
Les nano-structures diélectriques à fort indice de réfraction supportent des modes de résonances optiques de Mie de nature électrique ou magnétique dans le spectre visible. Ces résonances induisent une forte localisation et exaltation du champ électromagnétique au voisinage de ces nano-structures, qui modifient fortement la densité locale d'états photoniques. En conséquence, l'émission de lumière par des émetteurs quantiques positionnés dans le champ proche de telles nano-antennes diélectriques peut alors être modifiée par effet Purcell. Ce sujet de nano-optique est en pleine expansion. Cette approche de couplage émetteur-antenne est en effet essentielle pour le développement et le contrôle de sources de photons uniques à l'échelle nanométrique, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans le domaine des technologies quantiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de coupler des centres azote-lacune (NV) contenus dans des nanodiamants colloïdaux à des antennes de silicium (matériau diélectrique d’indice de réfraction n ~ 4) de dimensions nanométriques, pour contrôler la luminescence de ces émetteurs quantiques à l'échelle du photon unique. Dans un premier temps, nous avons étudié le filtrage spectral et modal de la propagation de photons émis par des centres NV dispersés aléatoirement à proximité de nano-fils de silicium de différentes sections, confirmant le rôle crucial que joue la position des émetteurs par rapport aux nano-structures. Pour répondre à cette problématique de contrôle du positionnement relatif des émetteurs, nous avons ensuite mis au point un protocole de nanoxérographie par microscopie à force atomique (AFM) permettant de réaliser des assemblages dirigés sélectifs d’un petit nombre contrôlé de nanodiamants (jusqu’à un unique nano-objet) sur un substrat de SiO2/Si. Finalement, la nanoxérographie-AFM a été adaptée à l'assemblage d'un faible nombre de nanodiamants, jusqu’à l’émetteur unique, dans le gap nanométrique de dimères de silicium élaborés par nanolithographie électronique sur un substrat de type silicium sur isolant (SOI). Cette preuve de principe a démontré la possibilité de contrôler le taux d'émission des centres NV couplés optiquement à des nano-antennes en silicium présentant une géométrie simple. Les résultats obtenus ont révélé que la nanoxérographie-AFM est une méthode versatile, robuste et rapide permettant de positionner de manière déterministe et reproductible sur une surface micrométrique des émetteurs quantiques à proximité immédiate de nano-antennes diélectriques afin de contrôler leur couplage, et ce à l'échelle du photon unique. Ce travail ouvre la voie à l’élaboration de systèmes couplés plus complexes aux performances optiques optimisées.
Domaines
Physique [physics]
Origine : Version validée par le jury (STAR)