11 Février 2019  |  Physique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 12/2018

Des structures de nanocristaux comme source de lumière quantique

Les photo-émetteurs excités peuvent coopérer et rayonner simultanément, un phénomène appelé superfluorescence. Des chercheurs de l’Empa, de l’EPFZ et d’IBM Research Zurich ont réussi à créer cet effet avec des super-réseaux nanocristallins ordonnés. Cette découverte pourrait permettre des développements futurs dans l’éclairage LED, ainsi que dans la détection, la communication et l’informatique quantiques.

Certains matériaux émettent spontanément de la lumière s’ils sont excités par une source externe, comme un laser, par exemple. Ce phénomène est connu sous le nom de fluorescence.
 
La superfluorescence: une émission de lumière ultrarapide
Cependant, dans plusieurs gaz et systèmes quantiques, une émission de lumière beaucoup plus forte peut se produire lorsque les émetteurs au sein d’un ensemble synchronisent spontanément leur phase quantique entre eux et agissent ensemble lorsqu’ils sont excités. De cette façon, le rendement lumineux qui en résulte peut être beaucoup plus intense que la somme des émetteurs individuels, ce qui conduit à une émission de lumière ultrarapide et lumineuse, la superfluorescence.
Toutefois, cela se produit uniquement lorsque ces émetteurs répondent à des exigences strictes, telles que la même énergie d’émission, une force de couplage élevée avec le champ lumineux, ainsi qu’un long temps de cohérence. En tant que tels, ils interagissent fortement les uns avec les autres et ne sont pas facilement perturbés par leur environnement. Jusqu’à présent, cela n’a été rendu possible avec aucun des matériaux technologiquement pertinents. Les points quantiques colloïdaux pourraient rendre ce phénomène possible; ils sont une solution éprouvée et commercialement attrayante, déjà utilisée dans les écrans de télévision LCD les plus avancés.
 
Super-réseaux sous le microscope (éclairage en lumière blanche). (Illustration: Empa)
 
 
Les points quantiques en pérovskites
Des chercheurs de l’Empa et de l’EPF de Zurich, sous la direction de Maksym Kovalenko, ainsi que des collègues d’IBM Research Zurich, ont montré que la dernière génération de points quantiques en pérovskites aux halogénures de plomb offre une voie élégante et pratique vers la superfluorescence sur demande.
Pour cela, les chercheurs ont disposé des points quantiques de pérovskite en un super réseau tridimensionnel, qui permet l’émission collective cohérente de photons, créant ainsi une superfluorescence. Ceci fournit la base pour les sources d’états multiphotons enchevêtrés, une ressource clé manquante pour la détection quantique, l’imagerie quantique et l’informatique quantique photonique.
 
Qui se ressemble s’assemble
Un couplage cohérent entre les points quantiques exige cependant qu’ils aient tous la même taille, la même forme et la même composition, car le proverbe «Qui se ressemble s’assemble» est également valable dans l’univers quantique. «De tels super-réseaux ordonnés à longue portée ne peuvent être obtenus qu’à partir d’une solution de points quantiques hautement mono-dispersés, dont la synthèse a été soigneusement optimisée au cours des dernières années», explique Maryna Bodnarchuk, chercheuse à l’Empa. Avec de tels points quantiques uniformes de différentes tailles, l’équipe de recherche pourrait alors former des super-réseaux en contrôlant correctement l’évaporation du solvant.
 
Image photoluminescente en microscopie confocale 3D de super-réseaux (excitation à la lumière violette à 405 nm). (Illustration: B.M. Bénin, EPFZ; ScopeM)
 
 
Une rafale de lumière synchrone
La preuve finale de la superfluorescence provient d’expériences optiques réalisées à des températures de -267 °C. Les chercheurs ont découvert que les photons étaient émis simultanément dans une «rafale lumineuse»: «Nous avons alors réalisé qu’il s’agissait d’une source lumineuse quantique inédite», explique Gabriele Rainó, de l’EPFZ et de l’Empa, qui faisait partie de l’équipe qui a réalisé les expériences optiques.
Les chercheurs considèrent ces expériences comme un point de départ pour exploiter davantage les phénomènes quantiques collectifs avec cette classe unique de matériaux. «Comme les propriétés de l’ensemble peuvent être améliorées par rapport à la somme de ses parties, on peut aller bien au-delà de l’ingénierie des points quantiques individuels», ajoute Michael Becker de l’EPFZ et d’IBM Research. La génération contrôlée de la superfluorescence et de la lumière quantique correspondante pourrait ouvrir de nouvelles possibilités dans l’éclairage LED, la détection quantique, la communication chiffrée quantique, ainsi que l’informatique quantique future.
 
Bibliographie
G. Rainò, M. Becker, M. Bodnarchuck, R. Mahrt, M. Kovalenko, T. Stöferle; Superfluorescence from Lead Halide Perovskite Quantum Dot Superlattices; Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0683-0
 
 
Prof. Maksym Kovalenko
Empa & EPFZ
Tél. 058 765 45 57
Maksym.Kovalenko@empa.ch
 
Maryna Bodnarchuck
Empa
Tél. 058 765 59 40
Maryna.Bodnarchuk@empa.ch
 
Gabriele Rainò
EPFZ
Tél. 044 633 09 97
rainog@ethz.ch
 
Thilo Stöferle
IBM Research Zurich
Tél. 044 724 85 01
tof@zurich.ibm.com


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