Ref HAL: hal-04258308_v1
Ref Arxiv: 2304.00492
DOI: 10.1038/s41524-023-01111-7
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

The boron-vacancy spin defect (V − B) in hexagonal boron nitride (hBN) has a great potential as a quantum sensor in a two-dimensional material that can directly probe various external perturbations in atomic-scale proximity to the quantum sensing layer. Here, we apply first principles calculations to determine the coupling of the V − B electronic spin to strain and electric fields. Our work unravels the interplay between local piezoelectric and elastic effects contributing to the final response to the electric fields. The theoretical predictions are then used to analyse optically detected magnetic resonance (ODMR) spectra recorded on hBN crystals containing different densities of V − B centres. We prove that the orthorhombic zero-field splitting parameter results from local electric fields produced by surrounding charge defects. By providing calculations of the spin-strain and spin-electric field couplings, this work paves the way towards applications of V − B centres for quantitative electric field imaging and quantum sensing under pressure.

Ref HAL: hal-04208789_v1
Ref Arxiv: 2304.12071
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.116902
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Ref HAL: hal-03837709_v1
Ref Arxiv: 2210.05485
Ref INSPIRE: 2164234
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

We report successful incorporation of an ensemble of G centers in silicon-on-insulator (SOI) microrings using ion implantation and conventional nanofabrication. The coupling between the emitters and the resonant modes of the microrings is studied using continuous-wave and time-resolved microphotoluminescence (PL) experiments. We observe the resonant modes of the microrings on PL spectra, on the wide spectral range that is covered by G centers emission. By finely tuning the size of the microrings, we match their zero-phonon line at 1278 nm with a resonant mode of quality factor around 3000 and volume 7.2 (lambda over n)^3. The zero-phonon line intensity is enhanced by a factor of 5, both in continuous-wave and time-resolved measurements. This is attributed to the Purcell enhancement of zero-phonon spontaneous emission into the resonant mode and quantitatively understood considering the distribution of the G centers dipoles. Despite the enhancement of the zero-phonon emission, we do not observe any sizeable decrease of the average lifetime of the G centers, which points at a low radiative yield (<10%). We reveal the detrimental impact of parasitic defects in heavily implanted silicon, and discuss the perspectives for quantum electrodynamics experiments with individual color centers in lightly implanted SOI rings. Our results provide key information for the development of deterministic single photon sources for integrated quantum photonics.

Ref HAL: tel-04120217_v1
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Résumé:

Pouvoir contrôler les propriétés physiques de systèmes quantiques individuels a déclenché l'essor du domaine des technologies quantiques visant à créer de nouveaux composants et machines aux fonctionnalités inégalées par des systèmes physiques classiques. Parmi les systèmes quantiques étudiés, les défauts ponctuels optiquement actifs des semiconducteurs ont l'avantage de se comporter comme des atomes artificiels à l'état solide. Isolés à l'échelle individuelle, ils présentent une émission de photons uniques pouvant être utilisée pour réaliser des communications quantiques. Certains défauts possèdent également un spin électronique contrôlable qui peut servir de mémoire quantique et de capteur quantique nanométrique. Le centre NV du diamant est actuellement le défaut fluorescent de loin le plus étudié, car ses propriétés quantiques peuvent être exploitées à température ambiante.Cependant, la plateforme idéale pour développer des technologies à large échelle est le silicium. Ce semiconducteur a toutefois été laissé de côté en raison de sa faible énergie de bande interdite. De fait, aucun défaut optiquement actif n'y avait été détecté de façon individuelle au début de cette thèse.Après de premiers travaux sur le centre NV et sa dynamique de conversion d’état de charge, le cœur de cette thèse a été consacré à l’étude des défauts fluorescents dans le silicium pour pouvoir les isoler à l'échelle individuelle. Cet objectif a d’abord requis le développement d’un nouveau montage de microscope optique à froid, optimisé pour le proche infrarouge. Les premiers efforts ont été consacrés à la détection d'un défaut à base d'impuretés de carbone, appelé le centre G, qui présente une émission optique aux longueurs d'onde télécom adaptées à la propagation dans les fibres optiques et des propriétés de spin potentiellement avantageuses pour les technologies quantiques. L'exploration d'échantillons de silicium implantés carbone a permis de détecter des centres G uniques, mais également de mettre à jour sept autres familles de défauts fluorescents individuels non répertoriées dans la littérature sur les mesures d'ensembles. En parallèle, des défauts individuels associés à un complexe d'atomes de silicium interstitiels ont aussi été observés dans un autre échantillon de silicium. L'analyse de l'émission de photons uniques de ces différents émetteurs ainsi que leur spectroscopie optique ont permis de mettre en évidence des propriétés inaccessibles sur les mesures réalisées à partir d'ensembles de défauts. La première détection de défauts individuels optiquement actifs dans le silicium ouvre une nouvelle voie d'exploration pour les technologies quantiques dans ce matériau majeur de l'industrie des semiconducteurs. Un des prochains challenges sera notamment de démontrer le contrôle des états de spin associés à ces défauts uniques. Au-delà des applications quantiques, l'étude à l'échelle individuelle des défauts fluorescents du silicium pourrait également apporter de nouvelles découvertes sur ces systèmes d'intérêt à la fois fondamental et appliqué.

Ref HAL: hal-03451945_v1
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02531
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Résumé:

The optical response of 2D materials and their heterostructures is the subject of intense research with advanced investigation of the luminescence properties in devices made of exfoliated flakes of few- down to one-monolayer thickness. Despite its prevalence in 2D materials research, hexagonal boron nitride (hBN) remains unexplored in this ultimate regime because of its ultrawide bandgap of about 6 eV and the technical difficulties related to performing microscopy in the deep-ultraviolet domain. Here, we report hyperspectral imaging at wavelengths around 200 nm in exfoliated hBN at low temperature. In monolayer boron nitride, we observe direct-gap emission around 6.1 eV. In marked contrast to transition metal dichalcogenides, the photoluminescence signal is intense in few-layer hBN, a result of the near unity radiative efficiency in indirect-gap multilayer hBN.