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Une nano-antenne pour imager et caractériser des sources de photons uniques infrarouges

Contexte
Les « quantum-dots » ou « boîtes quantiques » sont des sources lumineuses si petites qu’elles n’émettent qu’un photon à la fois. Leur taille de l’ordre de quelques nanomètres leur confère des propriétés uniques : la longueur d’onde de la lumière qu’ils émettent est contrôlée par leur taille. Pour changer de couleur, il suffit de changer la taille de ces nanosources. Leur nature semi-conductrice leur permet également d’émettre de la lumière sous l’effet d’un courant électrique et inversement de transformer de la lumière en un courant électrique. Les quantum-dots colloïdaux forment actuellement la base de nombreux dispositifs optoélectroniques modernes (LED, photodiodes, écrans, cellules solaires, etc) et de techniques biomédicales de pointe (imagerie in situ). Comme ils émettent la lumière sous forme de photons uniques, ils présentent également de fortes potentialités dans l’ingénierie quantique pour, entre autre, la mise au point de systèmes de sécurité inviolables dans le domaine des télécommunications.
Il parait toutefois difficile d’aboutir à de telles applications et de développer des fonctions de télécommunication à l’aide de quantum dots colloïdaux si ceux-ci n’ont jamais étés imagés et caractérisés individuellement auparavant. Or, si la caractérisation optique des quantum-dots émettant des photons de lumière visible est couramment réalisée au moyen de techniques de microscopie conventionnelles héritées de l’imagerie de molécules fluorescentes, les choses se compliquent avec les quantum-dots dont l’émission photonique a lieu dans l’infra-rouge télécom. En effet, dans ce cas, les microscopes conventionnels à forte résolution spatiale ne sont plus adaptés pour fonctionner à cette gamme de longueur d’ondes.
Travaux réalisés
Dans ce contexte, les chercheurs de FEMTO-ST ont développé un nouveau concept d’imagerie nanométrique reposant sur l’intégration, à l’extrémité d’une fibre optique, d’une nano-antenne métallique qui vient au voisinage d’un quantum-dot unique pour l’illuminer localement et collecter son émission photonique de fluorescence avec une précision spatiale de quelques dizaines de nanomètres. La spécificité de cette nano-antenne sur pointe fibrée inédite repose sur son ouverture en forme de nœud-papillon capable de supporter deux « résonances » optiques : une résonance aux longueurs d’ondes de la lumière visible pour illuminer le quantum dot et une résonance aux longueurs d’ondes infrarouges pour collecter efficacement les photons rayonnés et les transmettre directement dans la fibre optique. Les caractérisations ont été réalisées en insérant la nano-antenne fibrée dans un microscope optique « en champ proche » à balayage. Ces travaux ont été publiés dans la revue Nano Letters
Perspectives
Ce résultat ouvre la voie à la manipulation de quantum-dots colloïdaux infra-rouges télécom et à leur intégration dans les systèmes. Il marque une étape importante pour l’ingénierie de fonctions optiques quantiques avancées à partir de sources à photons uniques aux longueurs d’ondes télécom à température ambiante. Le greffage d’un quantum dot colloïdal sur l’antenne fibrée pourrait par la suite permettre la réalisation de sources à photons uniques fibrées « à la demande » pour des applications de sécurité dans les télécommunications.

Voir le communiqué de presse du CNRS (pdf, 559 Ko)
Plus d’informations (pdf, 114 Ko)
Contact : Thierry Grosjean