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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.