Dans les communications et le calcul quantiques, les photons uniques sont des porteurs d'information qui ne peuvent être ni espionnés ni copiés. Les sources existantes nécessitent soit des températures cryogéniques, comme les boîtes quantiques épitaxiales, soit souffrent d'instabilité et d'une durée de vie courte, comme les boîtes quantiques colloïdales. À côté de ce travail, les archives contiennent des études sur les photons uniques émis par des molécules individuelles, des atomes dans des puces et des cavités optiques, toutes cherchant un équilibre entre luminosité, stabilité et simplicité de fabrication. Cet article se distingue : il prend un matériau courant, produit en série, le C60, et montre qu'il peut servir de source de photons uniques sans nanofabrication complexe.
Les molécules de C60 ont été dissoutes dans du toluène avec du polystyrène, puis une goutte a été déposée sur un substrat d'or en rotation rapide (4000 tours par minute). On obtient ainsi un film mince dans lequel les molécules de fullerène individuelles sont isolées les unes des autres. L'excitation a été réalisée avec un laser à 405 nm fonctionnant en mode continu ou pulsé avec une durée d'impulsion de 50 picosecondes. La lumière émise, autour de 620 nm, a été collectée par un objectif et dirigée vers un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss, où deux détecteurs enregistraient les coïncidences de photons. L'histogramme des délais entre événements a permis de calculer la fonction de corrélation du second ordre g(2)(τ), qui indique si les photons sont émis un par un.
En excitation continue, la valeur de g(2)(0) était de 0,304 ± 0,024, ce qui est inférieur au seuil de 0,5 et confirme l'émission de photons uniques. En excitation pulsée à 10 MHz, on a obtenu g(2)(0) = 0,308 ± 0,024, ce qui montre que les photons sont émis à la demande. Le temps de vie de l'exciton s'est avéré être d'environ 4,5 ns, avec une dispersion observée de 3 à 27 ns selon l'environnement local de la molécule. Le scintillement de l'émission, lorsque la molécule bascule entre un état brillant et un état sombre, suit une loi de puissance avec un exposant α = 0,369, ce qui indique une dynamique à plusieurs niveaux plutôt qu'un simple modèle à trois niveaux. Le spectre d'émission, avec un pic à 620 nm, s'explique par la photo-oxydation du C60 : l'ajout d'oxygène brise la symétrie et autorise des transitions interdites dans le fullerène pur.
Ce travail se distingue des études voisines par l'utilisation de C60 disponible commercialement plutôt que de boîtes quantiques spécialement synthétisées ou de défauts dans le diamant. Cela abaisse la barrière à l'entrée : ni températures cryogéniques, ni chimie complexe ne sont nécessaires. Le temps de vie court de l'exciton promet un taux de génération de photons élevé, ce qui est important pour la cryptographie quantique. Cependant, le scintillement et la dispersion des temps de vie montrent que les molécules sont sensibles à l'environnement, et une maîtrise de l'oxydation et de la stabilisation des émetteurs sera nécessaire pour les applications pratiques.
On pourrait étudier comment le nombre d'atomes d'oxygène fixés influence la luminosité et la stabilité. La modification chimique des fullerènes, par exemple par fixation de groupes fonctionnels, pourrait supprimer le scintillement et resserrer la distribution des temps de vie. L'intégration dans des résonateurs optiques ou des structures photoniques accélérerait l'émission et améliorerait l'efficacité de collecte des photons.
Communication quantique, calcul quantique, sondage quantique.
Déterminer la composition exacte des fullerènes oxydés C60On et étudier leur photophysique sous atmosphère contrôlée.
Pour l'optique quantique, le problème des émetteurs uniques stables et brillants à température ambiante reste ouvert. Le scintillement et le photoblanchiment limitent la durée de fonctionnement des sources, et la dispersion des temps de vie indique une hétérogénéité de l'environnement local. Comprendre les mécanismes d'oxydation et de dégradation des molécules aidera à créer des sources aux propriétés prévisibles.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Les travaux montrent que des molécules de C60 incorporées dans un film de polystyrène émettent des photons uniques à température ambiante, avec un g(2)(0) d'environ 0,3, aussi bien sous excitation continue que pulsée. La durée de vie de l'exciton est d'environ 4,5 ns avec une dispersion, et le clignotement suit une loi de puissance avec un exposant de 0,369. Le spectre d'émission, dont le pic se situe à 620 nm, est attribué à la photo-oxydation du fullerène.
Où est sa force
L'utilisation de C60 commercialement disponible et d'une méthode simple de fabrication de films offre une source de photons uniques à température ambiante, peu coûteuse et évolutive. La courte durée de vie de l'exciton promet un taux de génération élevé.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Si l'on parvient à stabiliser l'émission et à augmenter la luminosité, de telles sources pourraient constituer la base de dispositifs de communication quantique abordables fonctionnant à température ambiante.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.54, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Le fullerène C60 a la forme d'un ballon de football : 60 atomes de carbone forment 12 pentagones et 20 hexagones. Il a été synthétisé pour la première fois en 1985, ce qui a valu le prix Nobel de chimie en 1996.