High resolution spectroscopy of diamond color center ensembles for quantum optics experiments
Spectroscopie haute résolution d’ensembles de centres colorés du diamant pour des expériences d’optique quantique
Résumé
This dissertation presents the elaboration of an original atom-light interface in the solid-state: a half-cavity made out of a mirror and a high numerical aperture lens that allows control and more specifically enhancement of the lifetime of a dipole located at the focus of the lens. Such a system also allows strong interaction between the dipole and a highly focused field given that the field can be totally reflected by the dipole. Diamond colored centers are suitable artificial atoms as they exhibit outstanding optical properties. The major part of the work realized during this PhD was dedicated to the elaboration of an experimental platform to study photoluminescence properties of condensed matter systems in the visible domain at cryogenic temperatures and to find suitable emitters for an efficient atom-field interface. This set up allows us to characterize new samples as part of collaborations with teams specialized in diamond synthesis, in particular, SiV- and GeV- embedded in nanodiamonds synthesized by chemical vapor deposition. They exhibit sub-GHz linewidths which is very promising for quantum electrodynamics experiments. Optical properties of SiV- centers embedded in diamond nanopyramids have been extensively studied. Photochromism has been observed and allows us to measure the homogeneous linewidth of inhomogeneously broadened SiV- center ensembles. This linewidth is close to be lifetime limited.We try to explain this photochromism effect with different hypotheses corroborated by measurements. Finally, preliminary results have been obtained using a half-cavity. We show how the modification of the lifetime is measured when inhomogeneous broadening is present, by using another interferometer in addition to the half-cavity.
Le travail décrit dans ce manuscrit porte sur l’élaboration d’une interface atome-champ originale pour un émetteur de la matière condensée : un système de demi-cavité composé d’un miroir et d’une lentille à forte ouverture numérique. Ce système permet de contrôler et en particulier d’augmenter le temps de vie d’un dipôle niché au sein d’un cristal situé au point focal de la lentille alors même que la distance entre l’atome et le miroir est très grande devant la longueur d’onde. Utiliser un tel système permet aussi d’obtenir une interaction forte entre un champ résonant fortement focalisé et l’atome. Pour cet objectif, les centres colorés du diamant sont des atomes artificiels de choix car ils présentent des propriétés de photoluminescence exceptionnelles. Une grande partie du travail effectué durant cette thèse a été dédiée à l’élaboration d’une plateforme expérimentale permettant d’étudier les propriétés de photoluminescence dans le domaine visible de systèmes de la matière condensée à température cryogénique afin de trouver les émetteurs adéquats pour réaliser cette interface. Nous avons caractérisé de nouveaux échantillons dans le cadre de collaborations avec des laboratoires spécialisés dans la croissance du diamant, en particulier des nanodiamants contenant des centres SiV- et GeV- aux propriétés optiques prometteuses. La photoluminescence de pointes en diamant nanométriques contenant des centres SiV- a été particulièrement étudiée. Un effet de photochromisme a été observé et nous a permis de mesurer la largeur de raie homogène d’un ensemble de centres SiV- élargi inhomogènement. Cette largeur se rapproche de la limite radiative. Nous donnons une explication de ce phénomène de photochromisme corroborée par différentes mesures. Enfin, des expériences préliminaires ont été réalisées en demi-cavité. Nous montrons comment la modification du temps de vie peut être mesurée en présence d’élargissement inhomogène en utilisant un second interféromètre en aval de la demi-cavité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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