IPEST Tunis - 20 mai 2005

Journée de la Physique

Ouverture : Pr. H. Bouchriha

Première séance : Pr. H. Maaref- J.-F. Roch

- Nicole Jaffrezic

Deuxième séance : Pr. M. Tadjeddine- K. Karrai- H. Maaref

IPEST Tunis - 20 mai 2005

Jean-François RochLaboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire,

Ecole Normale Supérieure de Cachan

roch@physique.ens-cachan.fr

Merci à Philippe Grangier et Alain Aspect (Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique)

Lumière : onde ou photon ?

La lumière à travers les âges

Newton (Opticks, 1702): particules (couleurs diverses)

•Antiquité (Égypte, Grèce): particules vers l’œil ou depuis l’œil (Epicure, Aristote, Euclide)

Moyen âge, renaissance: ingénierie - lunettes correctrices, lunette astronomique (Al Hazen, Bacon, Leonard de Vinci, Galilée, Tycho…)

XVIIe siècle: Ondes (analogie « ronds dans l’eau»): Huyghens

4

XIXe siècle : le triomphe du modèle ondulatoire

Young - Fresnel (1822) interférence, diffraction, polarisation

Maxwell (1870): la lumière est une onde électro- magnétique

1900: « La fin de la physique» (Lord Rayleigh) … mis à part deux détails!

Début XXe : les photons ou le retour des particules

•! Einstein (1905). Lumière constituée de quantas, grains élémentaires d’énergie

et d’impulsion quantas baptisés « photons » en 1922."Prédictions quantitatives pour

l’effet photoélectrique

Comment réconcilier le modèle corpusculaire avec les phénomènes de diffraction, interférence, polarisation ?

Idées mal acceptées jusqu’aux travaux expérimentaux de Millikan (1915, effet photoélectrique).Einstein prix Nobel (1922) pour l’effet photoélectrique

E = hν

p = hν/c

Facile à énoncer, mais très difficile à se représenter par des images issues du monde accessible à nos sens.

La dualité onde-particule Louis de Broglie, 1925

La lumière est à la fois une onde (capable d’interférer, d’être diffractée) et un ensemble de particules possédant une énergie, une quantité de mouvement…

…et de même, les particules comme les électrons se comportent aussi comme des ondes : diffraction, interférences.

La dualité onde-particule

comportement ondulatoire pour les particules

7

S

Particules émise une par une, toutes “dans le même état” : émission à partir d’un même point source, direction aléatoire, énergie déterminée

trous d’Young

T1

D

PDprobabilitede detection

PD

T2

quand on deplace le detecteurPD est modulee

si un des deux trous est fermepas de modulation → PD constant

Interprétation: chaque particule est décrite par une onde qui

passe par les deux trous et se recombine sur le détecteur

PD depend de la difference des chemins ∆ = ST1D − ST2D

T2

8

Interpretation: une particule unique passe soit à travers le

trou T1, soit à travers le trou T2, pas les deux à la fois.

Image classique : une particule unique ne se divise pas.

La dualité onde-particule

comportement corpusculaire

détection en coïncidence

Particules émise une par une, toutes “dans le même état”

S

T1

T2

D1

D2

détection simple P1

détection simple P2

PC

D1 et D2 declenches aleatoirement

taux moyen constantmais pas de coincidences : PC = 0

→ anti − correlation

Test du comportement corpusculaire ?

Expérience pas faite ainsi jusqu’en 1985

•! Caractère corpusculaire « évident » pour électrons, neutrons, atomes, molécules : observation d’effets ondulatoires

•! Lumière très atténuée telle que distance moyenne entre photons grande devant dimension de l’interféromètre: observation d’effets ondulatoires en lumière très atténuée

détection en coïncidence

Particules émises une par une, toutes “dans le même état”

S

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

P1 != 0

P2 != 0

PC = 0

Expérience de Taylor (1909)

fente

épingle

figure de diffraction

film

Proceedings of the CambridgePhilosophical Society, 15, 114-115 (1909).

Comportement ondulatoire avec lumière très atténuée

Taylor 1906 Diffraction Plaque photo Oui

Dempster & Batho 1927 Réseau, Fabry-Perot Plaque photo Oui

Janossy and Naray 1957 Interféro. de Michelson Photomultiplicateur Oui

Griffiths 1963 Fentes d’Young Intensificateur Oui

Dontsov & Baz 1967 Fabry-Perot Intensificateur NON

Scarl et al. 1968 Fentes d’Young Photomultiplicateur Oui

Reynolds et al. 1969 Fabry-Perot Intensificateur Oui

Bozec et al. 1969 Fabry-Perot Plaque photo Oui

Grishaev et al. 1971 Interféro. de Jamin Intensificateur Oui

Zajonc et al. 1984 Interféro. à fibre;

choix retardé

Photomultiplicateur Oui

Alley et al. 1985 Interféro. à fibre;

choix retardé

Photomultiplicateur Oui

Comportement

ondulatoire

Une question réglée ?

Remise en cause du caractère corpusculaire de la lumière très atténuée

Effet photoélectrique parfaitement interprété par le modèle semi-classique de la photodétection (Lamb, 1964) :•Détecteur quantique atome, molécule, solide conducteur...

•Lumière : onde électromagnétique classique

NB: en 1905 (huit ans avant l’atome de Bohr) pas de description quantique, ni pour la matière, ni pour la lumière: l’effet photoélectrique est incompréhensible dans le cadre classique. Einstein a choisi de quantifier la lumière. Il aurait pu choisir de quantifier la matière.

La lumière très atténuée présente-t-elle un comportement corpusculaire?

Comment caractériser quantitativement un comportement corpusculaire?

−→

−→

Critère de comportement corpusculaire

13

Particule : on attend

Onde : passe par les deux trous et on attend

Le modèle semi-classique conduit à

Critère de comportement “corspuscule”

P. Grangier, G. Roger, et A. Aspect, Europhys. Lett. 1, 173 (1986)

détection en coïncidenceS

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

P1 != 0

P2 != 0

PC

PC != 0

PC = 0

α =PC

P1 × P2

= 1

α =PC

P1 × P2

< 1

La lumière très atténuée n’a pas un comportement de particules (A. Aspect + Ph. Grangier, 1986)

Impulsions émises par une diode électroluminescente

et très atténuées: 0.01photon/pulse, en moyenne

En accord avec les prédictions de la théorie quantique de la lumière. La lumière très atténuée est décrite comme un état quasi-classique (ou état cohérent de Glauber).

détection en coïncidenceLED

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

P1 != 0

P2 != 0

PC

att

énuate

ur

resultat experimental αmes = 1.07 ± 0.08−→ comportement ondulatoire

Sources de photons uniques

Dans les sources lumineuses classiques (lampe fluorescente, laser, LED, ...) un très grand nombre d’émetteurs sont excités simultanément.Comment isoler un seul atome (ou émetteur excité) ?

atome isoléexcité

émet un photon et un seul (g)

(e)

La théorie quantique de la lumière permet de concevoir des sources de photons uniques pour lesquels on prévoit un comportement corpusculaire : α < 1

|n = 1〉

détection en coïncidence

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

PC

P1 != 0

P2 != 0

Première source de photon unique

Alain Aspect et Philippe Grangier - 1986Cascade radiative atomique. Atome unique isolé temporellement : pendant une durée de 5 ns suivant la détection de ν1 un atome unique

est pret à émettre un photon et un seul de fréquence ν2.

resultat experimental

αmes = 0.18 ± 0.06

α < 1 → anticorrelation

comportement corpusculaire

Kr ion laser

dye laser ν1 (551 nm)

ν2 (423 nm)

τ = 5 ns

Et aujourd’hui ?

• On utilise des atomes ou des ions refroidis et piégés

• Il s’agit cependant de sources complexes à mettre en œuvre

• Peut-on imaginer des sources de photons uniques plus “pratiques” ?

1. Emission de photon unique

2. Interférences à photon unique

Photon unique “annoncé”

Schéma permettant une génération très efficace au moyen de guides d’ondes χ(2) à quasi-accord de phase

fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire (L. Mandel, J. Rarity, A. Zeilinger, etc.)

cristalnon-linéaire

pompe532 nm

photon “réplique”810 nm

photon “signal” 1.55 μm (telecom)

!kpump = !ksignal + !kidler

1

λpump

=1

λsignal

+1

λidler

χ(2)

Emission de lumière par un atome

Niveauxatomiques

discrets

Excitationdécharge électrique

absorption de lumière

Emissionspontanée

niveau excite

energie

niveau fondamental

E0

E1

E2

E3

hν = E1 − E0

Molécule et photons uniques

νfluo

S0

S1

S0

S1

νabs ≥ νfluo

decalage Stokes

νabs

excitation

impulsionnelle

photonstrain de

uniques

Proposition & première expérienceF. De Martini et al.Phys. Rev. Lett. 76, 900 (1996)

Fluorescence d’une molécule unique

Molécule unique isolée spatialement par microscopie confocale

7.6µm

D’autres sources de photons uniques

Boîtes quantiques d’InAsdans des micro-pilliers

Nanocristaux de CdSeSpectre d’émission étroit relié à la taille des nanocristaux

Centres colorés NV du diamant "molécule artificielle" parfaitement photostable

Molécules : souplesse d’emploi,

efficacité élevée,mais photoblanchissent.

80

60

40

20

0

Inte

nsit

y (

kH

z)

2520151050

Time (s)

bin=2ms

Centres colorés NV du diamant

V

N

C

atome d’azote (N) comme impureté associé à une lacune (V) dans le site adjacent de la maille cristalline

Absorption

Emission

!

a.u.

637nm 750nm

ZPL

Detection et étude comme objet quantique unique :A. Dräbenstedt, L. Fleury, C. Tietz, F. Jelezko, J. Wrachtrup, C. von Borczyskowski, Science 276, 2012 (1997).Thèse d’Alexios Beveratos (groupe de Philippe Grangier Institut d’Optique): source de photons uniques

Création des centres colorés NV

• Les impuretés d’azote sont naturellement présentes dans le diamant synthétique (type I)• Irradiation électronique permettant de créer les lacunes V dans le cristal + recuit à 800°C

NV0+ N ↔ N

+ + NV

-

V

N

C

NV0

+ N ↔ N+

+ NV−

300

200

100

0

coups

850800750700650600550

longueur d'onde (nm)

NV0

NV−

Emission dans le diamant massif

ndiamant = 2.4

100 µm

1.5 mm

Angle limite ~ 24.5°la lumière reste piégée dans le cristal

Fluorescence dans le diamant

nanocristaux de diamant au lieu de diamant massif

Avantage des nanocristaux : - Meilleure collection des photons émis- Moins de fond d’émission de la matrice hôte- Association à des structures photoniques

ndiamant = 2.4∅ " 50 nm # λ0/n

silice nsilice

silice

◆.◆.. ◆.interferenceconstructivemiroir de Bragg

Nano-diamant (Th. Gacoin, PMC)

Poudre de diamant synthétique (de Beers, type Ib), taille comprise entre 0-5 microns

lamelle couvre-objetsilice, miroirr, etc.

solution colloïdale+ sélection taille

4 étapes

nanoparticules disperséesdiamètre typique ~ 90 nm

équivalent à 10-12 carat = pico-joaillerie...

spin-coating

CW or Pulsed

Excitation

Diamond

sample

Pinhole

Ø100µ

Filters

Dichroic

mirror

z

Spectrometer Delay

Confocal Microscope

Photon Counting Devices

g(2)(τ)

50/50

Beam-

splitter

Avalanche

photodiodes

Time -to-

Amplitude

converter

Montage expérimental

(θ, φ)

scanning mirror

metallographic objective

NA = 0.9 10

8

6

4

2

0

µm

1086420

10 × 10 µmLa luminescence du fond de l’échantillon finit par disparaître...Seul le centre coloré survit !

@ 532 nm

balayage

1. Emission de photon unique

2. Interférences de photon unique

Plan de l’exposé

Séparation du front d’onde

Histogramme descoïncidences

Stop

TAC

StartMultiChannelAnalyzer

S0

S1

APD 1

APD 2

Biprisme de Fresnel

Paramètre de corrélation

TIA

→ α =NC × Npulse

NA × NB

Acquisition duration (s) N1 N2 NC α

4.780 49448 50552 269 1.1804.891 49451 50449 212 0.9374.823 49204 50796 211 0.9344.869 49489 50511 196 0.8754.799 49377 50623 223 0.9814.846 49211 50789 221 0.9824.797 49042 50958 232 1.0214.735 49492 50508 248 1.0774.790 49505 50495 248 1.0904.826 49229 50771 219 0.970

Impulsions atténuées Acquisition duration (s) N1 N2 NC α

5.138 49135 50865 28 0.1325.190 49041 50959 23 0.1095.166 49097 50903 23 0.1095.173 49007 50996 28 0.1335.166 48783 51217 29 0.1375.167 48951 51049 31 0.1475.169 49156 50844 30 0.1425.204 49149 50851 32 0.1525.179 49023 50977 26 0.1245.170 48783 51217 26 0.123

Impulsions à un photon

instants de photodétectionPorte = 100 nsPériode d’excitation = 436ns

10−2 photon/pulse

α = 0.13 ± 0.01α = 1.00 ± 0.06

Interférence avec un photon unique

ICCD

Interferomètre éclairé par une source de photons uniques (α < 1 observé)

Orsay 1985 MZ1

MZ2

http://www.physique.ens-cachan.fr/franges_photon/index.htm

Figure d’interférence pour un photon

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Inte

nsity (

a.u

.)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0Distance (mm)

Z = 11 mm simulation data

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Inte

nsity (

a.u

.)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0Distance (mm)

Z = 98 mm simulation data

Ajustement en utilisant l’optique cohérente

classique

Dualité onde particule: bizarre!

Première expérience

Comportement corpusculaire: photon unique passe soit par T1

soit par T2.

détection en coïncidence

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

PC

P1 != 0

P2 != 0

S

Deuxième expérience

Comportement ondulatoire: photon unique passe par les deux trous à la fois.

Résultat en D

dépend de la différence

des chemins

T1

T2

S

D

ST1 − ST2

Même source, mêmes trous : incompréhensible avec les images classiques d’onde et de corpuscule.

Complémentarité de Bohr

Les deux expériences sont incompatibles. Il faut choisir la question posée au sytème:

•! Par quel trou passe le photon ?

•! Interférence ?On ne peut poser les deux questions à la fois.

Que se passerait-il si on attendait que l’impulsion lumineuse ait dépassé les trous pour choisir l’appareillage ? Expérience « à choix retardé » (Wheeler).

détection en coïncidence

T1

T2

D1

D2

détection simple

détection simple

PC

P1 != 0

P2 != 0

S

Résultat en D

dépend de la di!érence

des chemins

T1

T2

S

D

ST1 − ST2

Expérience à choix retardé (Wheeler)

36

interféromètre de Mach-Zehnder

SPS

with beamsplitter

~ 30 m

SPS

φ

.

interféromètre de polarisation

.. .

Séparateur

de faisceaulame λ/2

EOMSéparateur de

polarisation

Vπ

300

200

100

0

Coups

850800750700650600

Longueur d'onde (nm)

centre coloré NV

durée de vie ~25nsémission polarisée linéairement à 80%

! 100 nm

Complémentarité de Bohr

37

Donne encore lieu à des expériences parfois confuses...

http://users.rowan.edu/~afshar/ −→

réseau de fils matérialisantles franges d’interférences

des trous 1 et 2

En conclusionLes faits expérimentaux nous forcent à accepter la complémentarité entre interférence et “which path”. Difficile à réconcilier avec les images et la logique issues du monde à notre échelle. Mais, pour se rassurer:

•) Le formalisme de l’optique quantique en rend compte de façon cohérente.

•) La complémentarité de Bohr permet d’éviter les incohérences logiques.

C’est en s’intéressant aux «bizarreries quantiques» qu’on a développé de nouvelles sources de lumière aux propriétés quantiques et qu’ont germées les idées de cryptographie quantique et information quantique.

signal

fond! 60

NV−

NE8

Photons uniques dans l’infra-rouge

Interprétation: centre coloré NE8 (Ni-4N)

850800750700650600 longueur d'onde (nm)

Lame mince de diamant naturel (type 2a)Excitation continue à ~700 nm

Ingénierie du diamant CVD

hydrogène+

méthaneT > 2000°C

substrat

couche de diamant CVD

micro-ondes, décharge électrique, filament chauffé

Diamond chemical-vapor deposition on optical fibers for fluorescencewaveguiding

J. R. Rabeaua! and S. T. HuntingtonSchool of Physics, University of Melbourne, Victoria, Australia 3010

A. D. Greentree and S. PrawerSchool of Physics and Centre of Excellence for Quantum Computer Technology, University of Melbourne,Victoria, Australia 3010

APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 134104 !2005"

Ce n’est certainement pasla fin de l’histoire !

Remerciements

Romain

Alleaume

E Wu

VincentJacques

FrancoisTreussart

Andre

Clouqueur

et merci pour votre attention !