Photonique de diamant et centres NV actives par ecriture laser femtoseconde

Le diamant est considéré par beaucoup comme le matériau parfait. En dehors de sa beauté remarquable lorsqu’il est convenablement coupé, il est le matériau en vrac naturel le plus dur, a une conductivité thermique record élevé et offre une excellente transparence de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain. Cependant, c’est laser rouge une autre caractéristique que les scientifiques de l’optique quantique ont excité au sujet du diamant. Analogue aux semi-conducteurs et à l’électronique conventionnelle, la clé pour rendre le diamant fonctionnel est une impureté: un défaut ponctuel appelé centre d’azote vacant (NV) – «source de photon unique de la nature».

Le centre NV, qui est présent dans le diamant à la fois naturel et fabriqué synthétiquement, consiste en un azote avec un site vide voisin remplaçant les atomes de carbone dans le treillis de diamant. Le défaut optiquement actif bénéficie d’un long temps de cohérence de la température ambiante, ce qui les rend attrayants en tant que bits quantiques. Contrairement aux ordinateurs classiques qui s’appuient sur les 0s et 1s numériques, les bits quantiques peuvent être en 0 et 1 états simultanément, ce qui permet une augmentation exponentielle de vitesse pour certains calculs. Les ordinateurs quantiques sont particulièrement utiles pour résoudre des problèmes multivariables difficiles tels que des simulations à l’échelle nanométrique dans la science moderne ou des problèmes macroscopiques comme prédire le climat mondial ou les fluctuations du marché boursier. De plus, en raison de l’état fondamental magnétiquement sensible des centres NV, ils peuvent être utilisés pour mesurer des champs magnétiques faibles à résolution nanométrique, ce qui a déclenché des recherches importantes sur les magnétomètres optiques à base de diamant.

portée laser 303

Une plate-forme optique intégrée dans le diamant serait bénéfique pour la magnétométrie grâce à l’interaction améliorée fournie par les guides d’ondes, et le calcul quantique, dans lequel les centres NV pourraient être optiquement liés ensemble pour l’enchevêtrement quantique à longue portée, en raison de la stabilité et l’intégration fournies par les guides d’ondes monolithiques. Cependant, il reste difficile de fabriquer des guides d’ondes optiques dans le diamant, en particulier dans les architectures 3D, en raison de sa dureté et de son inertie chimique.

Dans le cadre d’une collaboration internationale entre l’Université de Calgary, le Politecnico di Milano et l’Institut pour la photonique et les nanotechnologies (IFN) – CNR, nous avons récemment démontré la fabrication de guides optiques 3D en diamant massif utilisant des impulsions laser 30000mw ultra-pointues dans un laboratoire de CNST-IIT Milano . Comme cela a été confirmé par la résonance magnétique optiquement détectée, la spectroscopie mRaman et les mesures de photoluminescence, nous avons montré que l’écriture laser à haut taux de répétition produisait un guide d’onde à cristallinité préservée. Nous avons constaté que les propriétés remarquables des centres NV étaient maintenues, permettant aux photons d’être efficacement transportés entre les défauts, une étape cruciale dans la construction d’une plate-forme photonique quantique évolutive.

La concentration des centres NV dépend de la pureté du diamant, mais les défauts sont répartis de façon aléatoire dans tout le volume. Il est hautement souhaitable de produire de manière déterministe des NV sur demande avec une résolution submicronique, préalignée avec des circuits photoniques existants. Récemment, Chen et al. Ont démontré que les expositions statiques au laser vert brulant femtoseconde produisaient des lacunes dans la masse du diamant. Après recuit à 1000 ° C, les cavités formées par laser se sont diffusées vers les impuretés d’azote pour produire des NVs à la demande et de haute qualité.

Nous avons pris un peu plus loin ces travaux pionniers de fabrication laser de guides d’ondes optiques et NV, en intégrant ces blocs de construction importants sur la même puce de diamant intégrée, pour permettre l’excitation et la collecte robustes de la lumière aux NV. Parce qu’un seul système de microfabrication pointeur laser 200mW est utilisé, l’alignement entre les NV et les guides d’ondes est obtenu avec une résolution submicronique. En utilisant la microscopie confocale de photoluminescence et l’imagerie EMCCD à champ large, nous avons démontré le couplage de NVs simples à l’aide de guides d’ondes optiques.

Les centres NV optiquement adressés pourraient ouvrir la porte à des réseaux photoniques quantiques plus sophistiqués dans le diamant. Par exemple, dans le diamant de grade quantique, les NV simples optiquement liées pourraient être exploitées pour des sources de photons uniques ou des qubits à l’état solide. Dans le diamant de pureté inférieure, l’écriture laser d’ensembles NV à haute densité dans des guides d’ondes pourrait permettre une excitation robuste et la collecte du signal de fluorescence pour la magnétométrie.