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Sonder les processus d’interaction dans une matrice solide avec une boîte quantique unique

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Les boîtes quantiques (BQ) semiconductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Les propriétés de cohérence des photons émis permettent également de remonter aux interactions fondamentales de la BQ avec son environnement. En menant des expériences d’interférence à deux photons sous excitation résonante et en fonction de la température, des chercheurs-res de l’INSP, en collaboration avec une équipe de théoriciens au Danemark[1], ont pu étudier l’interaction entre une BQ et les modes de vibrations du réseau cristallin. Dans une configuration expérimentale originale, deux processus d’interaction responsables de la perte de cohérence ont été identifiés, dus à des transitions réelles et virtuelles assistées par les phonons acoustiques.

Les BQ semiconductrices sont des objets nanométriques constitués de milliers d’atomes insérés dans une matrice cristalline. Les niveaux d’énergie des porteurs de charge sont alors quantifiés comme dans le cas d’un atome seul. Néanmoins, une BQ constitue un système ouvert en interaction avec son environnement, notamment électrostatique et vibrationnel. L’originalité de ce travail réside dans l’utilisation de la luminescence résonante d’une BQ pour sonder et analyser les processus de décohérence des excitations électroniques. En effet, l’étude de la cohérence des photons émis permet de les identifier, grâce à deux expériences distinctes : (i) une expérience de spectroscopie par transformée de Fourier (STF) et (ii) une expérience d’interférence à deux photons de type Hong-Ou-Mandel (HOM).

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(a) : Image MEB des échantillons étudiés. Les BQ sont excitées optiquement par un laser focalisé sur la tranche de l’échantillon et la lumière émise est collectée à 90°. (b) Mesure du temps de cohérence au STF. (c) Histogramme des coïncidences en sortie de la lame semi-réfléchissante. L’aire du pic 2 permet de remonter au temps de cohérence des photons.

Dans nos expériences, les BQ insérées dans un guide d’onde 1D (Fig 1 (a)) sont excitées optiquement à la résonance de la transition par un laser focalisé sur la tranche de l’échantillon. Les photons émis sont collectés perpendiculairement à la direction du guide afin de s’affranchir du laser diffusé. Lors d’une expérience de STF (Fig. 1 (b)) le temps de cohérence est relié à la largeur spectrale de la raie et donc à l’enveloppe de l’interférogramme, ici ce temps vaut 770 ps. Dans une expérience de type HOM, deux photons parfaitement identiques en incidence sur une lame semi-réfléchissante vont émerger ensemble d’un côté ou de l’autre de la lame. Cet effet, appelé coalescence, se traduit par une absence de coïncidence de détection en sortie de la lame et se quantifie en comparant l’aire du pic 2 à celle des pics 1 et 3 de la Fig. 1 (c). Cette mesure permet d’extraire le degré d’indiscernabilité des photons émis, directement relié à leur temps de cohérence effectif qui vaut dans ce cas 1700 ps. L’écart constaté entre ces deux mesures du temps de cohérence a été attribué aux différents mécanismes d’interaction qui sont sondés par les deux expériences. En effet, il a été montré dans la littérature, que les processus d’interaction entre la BQ et les charges de son environnement électrostatique ont un temps caractéristique de l’ordre de la microseconde, alors que l’interaction avec les phonons s’effectue sur un temps beaucoup plus court de l’ordre de la picoseconde. Dans une expérience de STF, le temps pertinent est le temps d’acquisition, de l’ordre de la seconde, alors que dans une expérience de type HOM, le temps pertinent est le temps séparant l’émission des deux photons qui interfèrent, c’est-à-dire ici 3 nanosecondes. Ainsi, dans une expérience de STF on sonde les deux mécanismes de décohérence par les charges et les phonons, alors que dans l’expérience de HOM seule l’interaction avec les phonons est responsable de la perte de cohérence. Cela se traduit par un temps de cohérence plus long dans le deuxième cas.

Les mesures HOM permettent donc d’étudier uniquement l’interaction avec les phonons. En faisant varier la température de l’échantillon nous avons mesuré l’évolution du degré d’indiscernabilité (Fig 2 (a)). A plus haute température, la population de phonons augmente, entraînant une baisse du degré d’indiscernabilité. En collaboration avec un groupe de théoriciens au Danemark, nous avons proposé un modèle microscopique pour interpréter quantitativement ce comportement. Le modèle tient compte à la fois des processus réels d’absorption et d’émission assistés par phonons et des processus virtuels dus à la présence d’états excités de plus haute énergie de la BQ (Fig. 2(b)). Le degré d’indiscernabilité calculé en tenant compte des deux processus à la fois permet de reproduire de manière très satisfaisante les résultats expérimentaux (courbe en rouge Fig. 2(a)).

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(a) Evolution du degré d’indiscernabilité des photons en fonction de la température. La courbe rouge tient compte des transitions réelles et virtuelles assistées par phonons. La seule prise en compte des transitions réelles avec les phonons (pointillés en violet) ne permet pas d’interpréter les données. (b) Schéma représentant les niveaux de la BQ et les processus d’interaction réels et virtuels avec les phonons.

En conclusion, nos expériences ont permis d’étudier les interactions entre une BQ unique et son environnement, constituant la principale limitation aux applications en information quantique. De plus, le modèle microscopique développé ici, peut être utilisé plus généralement pour décrire l’interaction entre un système discret et un réservoir.

[1] En collaboration avec le DTU Fotonik, Kongens Lyngby, Danemark

Référence
« Probing Electron-Phonon Interaction through Two-Photon Interference in Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots » A. Reigue, J. Iles-Smith, F. Lux, L. Monniello, M. Bernard, F. Margaillan, A. Lemaitre, A. Martinez, D. P. S. McCutcheon, J. Mørk, R. Hostein and V. Voliotis, Phys. Rev. Lett. 118, 233602 (2017)

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