Des structures de nanocristaux comme source de lumière quantique

 

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.

 

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

Empa & EPFZ

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Maksym.Kovalenko@empa.ch

 

Maryna Bodnarchuck

Empa

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Maryna.Bodnarchuk@empa.ch

 

Gabriele Rainò

EPFZ

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Thilo Stöferle

IBM Research Zurich

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