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-03674350_v1
DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c02849
WoS: WOS:000753956100020
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Résumé:

The nature of point defects in hexagonal boron nitride (hBN) is of current interest for the potential to alter its optical and electrical properties. The strong interaction between neutrons and the boron-10 isotope makes neutron irradiation a controllable way to introduce point defects in hBN. In this study, we perform Raman spectroscopy, photoluminescence, electron paramagnetic resonance (EPR), and optically detected magnetic resonance (ODMR) characterization of neutron-irradiated monoisotopic (hBN with a single boron isotope) 10 B-and 11 B-enriched hBN crystalline flakes and a pyrolytic BN (pBN) reference sample. In h 10 BN and pBN, neutron irradiation produced two new Raman bands at 450 and 1335 cm −1 , which could be associated with B-related vacancies or defects. The near-bandedge optical emission was also significantly impacted by the neutron irradiation. EPR measurements clarified the origin of a high-spin defect center due to negatively charged boron vacancies, which was recently reported for similar neutron-irradiated hBN crystals. The ODMR experiments further confirmed this assignment. High-temperature annealing partially recovered some of the hBN vibrational and optical properties. Our results are helpful to identify the nature of defects in hBN and enable defect-engineered applications such as quantum information and sensing.

Ref HAL: hal-03662870_v1
DOI: 10.3917/rdes.099.0010
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DOI: 10.1103/PhysRevB.104.235201
WoS: WOS:000733570400001
Résumé:

The efficiency of the adiabatic demagnetization of the nuclear spin system (NSS) of a solid is limited, if quadrupole effects are present. Nevertheless, despite a considerable quadrupole interaction, recent experiments validated the thermodynamic description of the NSS in GaAs. This suggests that nuclear spin temperature can be used as a probe of nuclear magnetic resonances. We implement this idea by analyzing the modification of the NSS temperature in response to an oscillating magnetic field at various frequencies, an approach termed as the warm-up spectroscopy. It is tested in a n-GaAs sample where both mechanical strain and built-in electric field may contribute to the quadrupole splitting, yielding the parameters of electric field gradient tensors for 75As and both Ga isotopes, 69Ga and 71Ga.

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.

Ref HAL: hal-03480809_v1
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.250402
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Résumé:

A primary motivation for studying topological matter regards the protection of topological order from its environment. In this work, we study a topological emitter array coupled to an electromagnetic environment. The photon-emitter coupling produces nonlocal interactions between emitters. Using periodic boundary conditions for all ranges of environment-induced interactions, the chiral symmetry inherent to the emitter array is preserved. This chiral symmetry protects the Hamiltonian and induces parity in the Lindblad operator. A topological phase transition occurs at a critical photon-emitter coupling related to the energy spectrum width of the emitter array. Interestingly, the critical point nontrivially changes the dissipation rates of edge states, yielding a dissipative topological phase transition. In the protected topological phase, edge states suffer from environment-induced dissipation for weak photon-emitter coupling. However, strong coupling leads to robust dissipationless edge states with a window at the emitter spacing. Our work shows the potential to manipulate topological quantum matter with electromagnetic environments.

Ref HAL: hal-03447203_v1
Ref Arxiv: 2105.03972
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

The efficiency of the adiabatic demagnetization of nuclear spin system (NSS) of a solid is limited, if quadrupole effects are present. Nevertheless, despite a considerable quadrupole interaction, recent experiments validated the thermodynamic description of the NSS in GaAs. This suggests that nuclear spin temperature can be used as the universal indicator of the NSS state in presence of external perturbations. We implement this idea by analyzing the modification of the NSS temperature in response to an oscillating magnetic field at various frequencies, an approach termed as the warm-up spectroscopy. It is tested in a n-GaAs sample where both mechanical strain and built-in electric field may contribute to the quadrupole splitting, yielding the parameters of electric field gradient tensors for 75As and both Ga isotopes, 69Ga and 71Ga.

Commentaires: 12 pages, 9 figures