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Theses Year : 2019

Synthesis and coherent spectroscopy of rare earth doped nanoparticles for optical quantum technologies

Synthèse et spectroscopie cohérente de nanoparticules dopées terres rares pour les technologies optiques quantiques

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Abstract

Optical quantum technologies use light to transmit data and control other quantum systems. They give radical breakthrough in the fields of ultra-secured communications, sensors beyond classical range and simulations of quantum systems. To answer these highly-demanding applications, systems with multiple quantum degrees of freedom interfaced with both light and other quantum systems are necessary. However, this kind of hybrid architecture is currently not achievable at the solid state - a technology milestone. Recently, rare earth doped crystals have been identified as a promising alternative. Indeed, in the bulk state, theses materials have extremely long optical and spin coherence times, around the mililsecond and the hour respectively. Theses unique properties have enabled remarkable quantum effects like light-matter quantum teleportation at a telecom wavelength (Nat. Photonics 2014). Transposed to the nanoscale, they could enable the construction of quantum hybrid systems capable of new functions in the field of communication, opto-electronics or metrology. The aim of the project is to develop rare earth nanostructure doped crystals with long optical and spin coherence times. Theses materials will be obtained under the form of particles with a "bottom-up" approach, giving a great flexibility of morphology, size and chemical composition. It is necessary for a fine controle of the processes involved in dephasing and the coupling to other quantum systems. Characterisation will mainly be made using high-resolution spectroscopy. This project is supported by the great experience of the IRCP in the field of rare earth doped materials for quantum technologies (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) and especially its recent breakthrough on nanocrystals (PRL 2013).
Les technologies optiques quantiques utilisent la lumière pour transmettre des données et contrôler d'autres systèmes quantiques. Elles offrent des avancées radicales dans les communications ultra-sécurisées, les capteurs dépassant les limites classiques et la simulation de systèmes quantiques. Pour répondre aux exigences très élevées de ces applications, des systèmes à degrés de liberté quantiques multiples pouvant être interfacés à la fois à la lumière et à d'autres systèmes quantiques sont nécessaires. Ce type d'architectures hybrides n'est cependant pas réalisable actuellement à l'état solide, un point clé du point de vue technologique. Récemment, les cristaux dopés par des ions terres rares ont été identifiés comme une alternative prometteuse. En effet, à l´état massif, ces matériaux présentent des temps de cohérence optiques et de spins extrêmement longs, respectivement de l'ordre de la ms et de l'heure. Ces propriétés tout à fait uniques ont permis d'obtenir des effets quantiques remarquables, comme la téléportation lumièrematière à une longueur d'onde télécom (Nat. Photonics 2014). Transposées à l'échelle nanométrique, elles permettraient de construire des systèmes hybrides quantiques capables de fonctionnalités inédites dans le domaine des communications, de l'opto-électronique ou de la métrologie. Ce projet a pour objectif le développement de cristaux dopés terres rares nanostructurés possédant de longs temps de cohérence optiques et de spins. Ces matériaux seront obtenus sous forme de particules par une approche "bottom-up", permettant une grande flexibilité de morphologie, de taille et de composition. Ceci est nécessaire pour un contrôle très fin des processus de déphasage et le couplage à d'autres systèmes quantiques. La caractérisation se fera en particulier par spectroscopie otique à très haute résolution. Ce projet s'appuie sur la grande expérience de l'IRCP dans les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques (PRL 2014, Nat. Phys. 2015) et en particulier ses avancées récentes dans les nanocristaux (PRL 2013).
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tel-03203143 , version 1 (20-04-2021)

Identifiers

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Cite

Alexandre Fossati. Synthèse et spectroscopie cohérente de nanoparticules dopées terres rares pour les technologies optiques quantiques. Autre. Université Paris sciences et lettres, 2019. Français. ⟨NNT : 2019PSLEC008⟩. ⟨tel-03203143⟩
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