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Une nouvelle source à photons uniques à température ambiante

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Les sources émettrices à photons uniques sont des éléments essentiels dans un réseau de communications quantiques. En particulier, leur utilisation dans la distribution des clés quantiques permettrait la transmission sécurisée d’informations. Il existe différents systèmes qui utilisent ces sources comme des boîtes quantiques par exemple, mais pour la plupart, ils demandent des températures cryogéniques de fonctionnement. L’INSP, en collaboration avec des laboratoires de Chine et de Singapour, vient de trouver des émetteurs fonctionnant à température ambiante dans un semi-conducteur bien connu : le carbure de silicium [1].

Le carbure de silicium est un semi-conducteur important pour la micro-électronique et comme montré plus récemment pour des applications en technologie quantique. Ces dernières font appel aux défauts avec des propriétés optiques et magnétiques particulières, comme par exemple les centres NV, qui peuvent être utilisés comme des qubits [2,3]. De nombreux développements dans le domaine de l’information quantique nécessitent de travailler avec des photons individuels et il est intéressant de disposer des telles sources dans un semi-conducteur commun comme SiC. La caractérisation de l’émission et son unicité est effectuée grâce à la mesure de corrélations temporelles de l’intensité de fluorescence. Une corrélation nulle pour un délai nul est alors caractéristique de l’émission de photons uniques. Nous montrons que des couches épitaxiées de 3C-SiC - le polytype cubique de SiC - contiennent des défauts natifs, émettant des photons uniques. La longueur d’onde d’émission se situe dans le proche infrarouge (1.2μm), un domaine spectral bien adapté pour la transmission par des fibres optiques. Ces émetteurs sont très efficaces avec un taux d’émission très élevé de >MHz. Autre avantage, ces émetteurs fonctionnent à température ambiante.

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Figure 1
Image confocale de 25x25mm2 caractéristique d’un émetteur de photons uniques
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Figure 2
Fonction d’autocorrélation de SPE3 avec g2(0) = 0.05+/-0.03

Différents des émetteurs de photons uniques étudiés précédemment, les centres mis en évidence ici, ouvrent la perspective d’une possible intégration dans des dispositifs électroniques compatibles avec la technologie de silicium via l’hétéro-épitaxie de 3C-SiC sur silicium. De plus, leur taux d’émission pourrait encore être augmenté en faisant appel à des structures photoniques.

Références
[1] « Bright room temperature single photon source at telecom range in cubic silicon carbide » - Junfeng Wang, Yu Zhou, Ziyu Wang, Abdullah Rasmita, Jianqun Yang, Xingji Li, Hans Jürgen von Bardeleben & Weibo Gao - Nature Communications, 9, 4106 (2018) - DOI:10.1038/s41467-018-06605-3
[2] « NV centers in 3C, 4H, and 6H- silicon carbide : a variable platform for solid state qubits and nanosensors » - H.J.von Bardeleben et al, Phys.Rev.B94,121202(R),(2016) - DOI:10.1103/PhysRevB.94121201
[3] « « Nitrogen vacancy center in cubic silicon carbide : a promising qubit in the 1.5μm spectral range for photonic quantum networks » - S.A.Zargaleh et al, Phys.Rev.B98, 165203 (2018) - DOI : 10.1103/PhysRevB.98165203

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Jürgen von Bardeleben