%0 Thesis
%T Single optically active defects in semiconductors for quantum technologies : from the NV center in diamond to single defects in silicon
%T Défauts uniques optiquement actifs dans les semi-conducteurs pour les technologies quantiques : du centre NV du diamant aux défauts uniques du silicium
%+ Laboratoire Charles Coulomb (L2C)
%A Durand, Alrik
%N 2021MONTS128
%I Université Montpellier
%Y Vincent Jacques
%Y Anaïs Dréau
%Z Eric Anglaret [Président]
%Z Eleni Diamanti [Rapporteur]
%Z Carole Diederichs [Rapporteur]
%Z Gabriel Hétet
%Z Jean-Philippe Poizat
%8 2021-12-15
%D 2021
%K Slicon
%K Défaut unique
%K Spin
%K NV center
%K Quantum technologies
%K G-Center
%K Silicium
%K Single defect
%K Spin
%K Centre NV
%K Technologies quantiques
%K Centre-G
%Z Engineering Sciences [physics]/ElectronicsTheses
%X Being able to control the physical properties of individual quantum systems has triggered the boom of the field of quantum technologies aimed at creating new components and machines with functionalities unmatched by conventional physical systems. Among the quantum systems studied, the optically active point defects in semiconductors have the advantage of behaving like artificial atoms in the solid state. Isolated on an individual scale, they exhibit an emission of single photons that can be used for quantum communications. Some defects also have a controllable electronic spin that can serve as a quantum memory and a nanoscale quantum sensor. The NV center of diamond is currently by far the most studied fluorescent defect because its quantum properties can be exploited at room temperature. However, the ideal platform for developing large-scale technologies is silicon. Still, this semiconductor was left out because of its low bandgap energy. In fact, no optically active defect had been detected in it at the start of this thesis.After initial work on the NV center and its state of charge conversion dynamics, the core of this thesis was devoted to the study of fluorescent defects in silicon to be able to isolate them on an individual scale. This objective first required the development of a new optical microscopy setup at low temperature, optimized for the near infrared. The first efforts were devoted to the detection of a defect based on carbon impurities, called the G center, which exhibits an optical emission at telecom wavelengths suitable for propagation in optical fibers, and potentially advantageous spin properties for quantum technologies. The exploration of carbon-implanted silicon samples enabled the detection of single G centers, but also uncovered seven other families of individual fluorescent defects not listed in the literature on ensemble measurements. In parallel, individual defects associated with a complex of interstitial silicon atoms were also observed in another silicon sample. The analysis of the emission of single photons from these different emitters, as well as their optical spectroscopy, made it possible to determine properties inaccessible on the ensemble measurements.The detection of individual optically active defects in silicon opens a new path for quantum technologies in this learning material of the semiconductor industry. One of the next challenges will be to demonstrate the control of the spin states associated with these unique defects. Beyond quantum applications, the study at the individual scale of fluorescent silicon defects could also bring new discoveries on these systems of both fundamental and applied interest.
%X Pouvoir contrôler les propriétés physiques de systèmes quantiques individuels a déclenché l'essor du domaine des technologies quantiques visant à créer de nouveaux composants et machines aux fonctionnalités inégalées par des systèmes physiques classiques. Parmi les systèmes quantiques étudiés, les défauts ponctuels optiquement actifs des semiconducteurs ont l'avantage de se comporter comme des atomes artificiels à l'état solide. Isolés à l'échelle individuelle, ils présentent une émission de photons uniques pouvant être utilisée pour réaliser des communications quantiques. Certains défauts possèdent également un spin électronique contrôlable qui peut servir de mémoire quantique et de capteur quantique nanométrique. Le centre NV du diamant est actuellement le défaut fluorescent de loin le plus étudié, car ses propriétés quantiques peuvent être exploitées à température ambiante.Cependant, la plateforme idéale pour développer des technologies à large échelle est le silicium. Ce semiconducteur a toutefois été laissé de côté en raison de sa faible énergie de bande interdite. De fait, aucun défaut optiquement actif n'y avait été détecté de façon individuelle au début de cette thèse.Après de premiers travaux sur le centre NV et sa dynamique de conversion d’état de charge, le cœur de cette thèse a été consacré à l’étude des défauts fluorescents dans le silicium pour pouvoir les isoler à l'échelle individuelle. Cet objectif a d’abord requis le développement d’un nouveau montage de microscope optique à froid, optimisé pour le proche infrarouge. Les premiers efforts ont été consacrés à la détection d'un défaut à base d'impuretés de carbone, appelé le centre G, qui présente une émission optique aux longueurs d'onde télécom adaptées à la propagation dans les fibres optiques et des propriétés de spin potentiellement avantageuses pour les technologies quantiques. L'exploration d'échantillons de silicium implantés carbone a permis de détecter des centres G uniques, mais également de mettre à jour sept autres familles de défauts fluorescents individuels non répertoriées dans la littérature sur les mesures d'ensembles. En parallèle, des défauts individuels associés à un complexe d'atomes de silicium interstitiels ont aussi été observés dans un autre échantillon de silicium. L'analyse de l'émission de photons uniques de ces différents émetteurs ainsi que leur spectroscopie optique ont permis de mettre en évidence des propriétés inaccessibles sur les mesures réalisées à partir d'ensembles de défauts. La première détection de défauts individuels optiquement actifs dans le silicium ouvre une nouvelle voie d'exploration pour les technologies quantiques dans ce matériau majeur de l'industrie des semiconducteurs. Un des prochains challenges sera notamment de démontrer le contrôle des états de spin associés à ces défauts uniques. Au-delà des applications quantiques, l'étude à l'échelle individuelle des défauts fluorescents du silicium pourrait également apporter de nouvelles découvertes sur ces systèmes d'intérêt à la fois fondamental et appliqué.
%G English
%2 https://theses.hal.science/tel-04120217/document
%2 https://theses.hal.science/tel-04120217/file/DURAND_2021_archivage.pdf
%L tel-04120217
%U https://theses.hal.science/tel-04120217
%~ CNRS
%~ STAR
%~ L2C
%~ MIPS
%~ UNIV-MONTPELLIER
%~ UM-2015-2021