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La lumière, une source d’excitation de la matière

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

La lumière, une source d’excitation de la matière

Au début des années 1980, le physicien Richard Feynman émit l’idée d’utiliser les propriétés quantiques de la matière pour réaliser des calculateurs beaucoup plus puissants que les calculateurs classiques. Les bits « 0 » ou « 1 » classiques allaient peu à peu être remplacés par des superpositions cohérentes des états propres d’un système quantique à deux niveaux, appelées « qubits », ou bits quantiques. Valia Voliotis, professeur UPMC à l’Institut des Nanosciences de Paris (CNRS/UPMC) s’intéresse elle aussi aux phénomènes quantiques qui se produisent à l’intérieur d’un matériau. Les expériences de spectroscopie lui permettent d’isoler et d’étudier les propriétés optiques d’une nanostructure unique.

 

Photons, excitons, électrons, boîte quantique, oscillation de Rabi, interféromètre, miroir, lentilles, intensité, puissance, luminescence… Tous ces mots-clefs ont un dénominateur commun, la lumière.

Valia Voliotis. Ils font en effet partie d’un métalangage qui peut parfois paraître abscons mais que j’utilise au quotidien. De nos jours, l’information quantique est une thématique importante dans le domaine des nanosciences. Pour d’éventuelles applications mais aussi pour des expériences d’optique quantique fondamentale, il est nécessaire d’avoir des sources à photons uniques fiables. J’utilise donc des boîtes quantiques à base de semi-conducteurs comme sources de lumière non classique.

 

Vous fabriquez vous-même vos objets d’étude.

V. V. Je m’intéresse d’un point de vue fondamental aux propriétés électroniques et optiques de nanostructures à base de matériaux semi-conducteurs, utilisés principalement dans les dispositifs optoélectroniques. Je travaille sur des objets « faits maison », obtenus par dépôts successifs d’atomes sur une surface, fabriqués soit à l’INSP, soit dans d’autres laboratoires avec lesquels nous collaborons. Ce sont des boîtes quantiques auto-organisées dont les dimensions nanométriques (10-9 mètres, soit dix mille fois plus petit que le diamètre d’un cheveu) permettent à basse température de confiner les porteurs de charge, engendrant ainsi une quantification de leur énergie. Ainsi, une boîte quantique peut constituer un système à deux niveaux et servir de qubit.

 

D. R.

 

Qu’observez-vous à cette échelle ?

V. V. J’utilise ensuite la lumière comme source d’excitation de la matière mais aussi comme moyen pour préparer et manipuler les états quantiques. Les photons interagissent avec les électrons constitutifs de la matière. Un photon apporte de l’énergie, il est absorbé par l’électron qui passe alors de son état fondamental vers un état excité. Avant qu’il ne restitue cet excès d’énergie, on peut agir sur son état à l’aide d’un autre photon. Après cette « manipulation », l’électron revient dans son état de base en réémettant un autre rayonnement : le matériau « brille », il émet de la lumière. Les scientifiques observent cette nouvelle émission, recueillent et analysent les photons émis, ce qui les renseigne sur le système étudié.

 

Y a-t-il des freins, des obstacles ? Les boîtes quantiques sont-elles toujours aussi performantes ?

V. V. L’interaction des excitations électroniques avec son environnement dans une boîte quantique semi-conductrice est une des causes principales de perte de cohérence des états. Elle constitue à l’heure actuelle une importante limitation, si l’on souhaite utiliser les boîtes quantiques comme briques élémentaires pour des protocoles en information quantique ou des expériences plus fondamentales en optique quantique. Dans notre groupe au sein de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP, nous cherchons à comprendre les mécanismes mis en jeu et à les contrôler.

 

Quelles sont les applications de ces travaux de recherche très fondamentale ?

V. V. Ces nanostructures sont souvent appelées « atomes artificiels ». L’avantage de tels systèmes est qu’étant déjà contenus dans une matrice cristalline, il est possible de les intégrer dans des dispositifs électroniques à semi-conducteurs, ou dans des cavités électromagnétiques pour contrôler leur taux d’émission spontanée. Cela permet d’envisager des applications aussi bien dans le cadre du traitement quantique de l’information que dans celui de la cryptographie quantique (transmission de l’information de manière parfaitement sécurisée), nécessitant des sources de photons uniques ou intriqués.

Pour en savoir plus :

Institut des nanosciences de Paris (CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

À lire : « Les boîtes quantiques, des qubits performants ? »Nouvelle fenêtre

 

Une source de photons uniques et indiscernables

 

À voir : Master de physique à distance : mécanique quantique l Indiscernabilité des particules : coalescence de photons - ExpériencesNouvelle fenêtre



13/01/15