L’intérêt des centres NV pour réaliser une source de photons uniques

Expériences complémentaires

Les résultats obtenus dans le chapitre précédent ont confirmé l’intérêt des centres NV pour réaliser une source de photons uniques. Mais divers problèmes subsistent : tout d’abord, le spectre d’émission du centre est très large, ce qui complique la réalisation d’un modulateur de polarisation efficace. De plus, un spectre plus étroit pourrait faciliter le couplage du centre NV avec une microcavité, ce qui permettrait en principe de récolter plus de photons. Pour réduire la largeur du spectre, nous avons envisagé de refroidir le centre NV. Par ailleurs, l’excitation à 532 nm peut transférer le centre dans un état métastable. Pour éviter cet effet, on peut envisager d’exciter le centre à une autre longueur d’onde (par exemple à résonance), ou bien avec deux longueurs d’ondes différentes pour créer un effet de « repompage ». Bien que finalement ces expériences n’aient pas donné de résultats satisfaisants, elles apportent des informations supplémentaires sur la spectroscopie du centre NV, et sont donc décrites dans ce chapitre. Dans une première partie nous décrirons les expériences effectuées à froid, puis les expériences sous excitation à résonance.

Expériences à basse température

La largeur spectrale d’un centre NV est due au couplage avec les phonons lors de la désexcitation radiative. Comme le montre la figure 4.1 [36], pour émettre un photon, le centre NV se désexcite depuis l’état vibronique fondamental de l’état excité, vers un état vibronique excité de l’état fondamental. En diminuant la température, les répliques de phonons devraient s’atténuer et la raie à zéro phonon (ZPL, ou zero phonon line) devrait être favorisée. Si on parvient à concentrer toute (ou une grande partie) de l’émission dans la ZPL, on peut envisager d’obtenir un couplage efficace avec une cavité. Les expériences se sont déroulées dans le laboratoire de V. Sandoghdar à l’Université de Con- stance. J’ai travaillé en collaboration avec O. Benson et T. Aichele qui est le doctorant sur cette ex- périence. Le dispositif expérimental est très similaire à celui décrit dans la section 2.3. Le laser d’excitation est un laser Coherent modèle Verdi pouvant délivrer une puissance de 5W.

Comme pour toute expérience à froid, on ne peut pas utiliser un objectif de grande ouverture numérique à cause de la grande distance de travail entre l’objectif et l’échantillon. On a utilisé un objectif Zeiss ayant une ouverture NA =0.5 et un grandissement ×40.Letdispose pas de dichroïque, mais seulement d’une lame séparatrice R =0.8, T =0.2 (le faisceau d’excitation est transmis par la lame). Le balayage en XY est assuré par deux platines de translation, et le balayage fin par une cale piézo-électrique. La course totale de la cale est de 2µm sur chaque axe. L’objectif n’est pas monté sur une piézo-électrique.

Malheureusement le dispositif expérimental n’était pas encore au point, et il n’y avait pas de balayage contrôlé par ordinateur. Pour obtenir plus facilement un signal, on a choisi de travailler avec le diamant massif irradiéàune dose de 10. Cet échantillon est trop irradié pour pouvoir résoudre un centre NV unique, mais suffisamment peu irradié pour que la lumière de fluorescence de la ZPL ne soit pas absorbée par les centres NV hors du plan d’observation.

Nous avons utilisé un cryostat de la compagnie Cryovac. Il peut fonctionner avec de l’azote liquide ou de l’hélium liquide. L’échantillon repose sur un « doigt froid ». Le contact thermique est fait par le biais d’une graisse à vide. L’isolement entre le doigt et l’environnement est assuré par un vide secondaire de 4 ∗ 10mbar. La température est réglée en ajustant le flux d’hélium dans le cryostat. La sortie He du cryostat est reliée à un système de récupération en légère sous-pression. En réglant le débit de la bouteille d’hélium, on peut régler la température souhaitée. Le réglage fin est réalisé par une résistance chauffante.