Présentation

Ralentissement de la lumière dans un cristal dopé aux ions d'Erbium triplement ionisés.

La recherche de systèmes non linéaires très efficaces conditionne l'évolution des domaines tel que la photonique et l'information quantique. L'objectif  ultime étant de pouvoir manipuler les propriétés quantiques de la lumière et de la matière avec des systèmes issus de la physique du solide, et utilisant des interactions non linéaires (tel que l'effet Kerr) et cohérentes ne nécessitant qu'un faible nombre de photons.   Nous avons choisi comme milieux non linéaires des cristaux dopés aux ions de terre rare et étudions des interactions cohérentes telles que la transparence induite électromagnétiquement (EIT) et l'oscillation cohérente de population (CPO).   Nous avons montré récemment une réduction de 8 ordres de grandeur de la vitesse de groupe par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide par l'effet d'oscillation coherente de population.

L'effet Kerr

  L'interaction entre deux champs électromagnétiques est essentielle pour le traitement optique de l'information, aussi bien classique que quantique. Elle est possible en exploitant la réponse non-linéaire d'un matériau excitée par un champ généralement intense. Cette interaction non-linéaire peut par exemple être un changement de l'indice de réfraction du matériaux vu par le faisceau “signal” qui est induit par un faisceau “de pompe”. Ce changement d'indice est proportionnel à la puissance de la pompe (effet Kerr croisé figure 1). Ce type de déphasage non-linéaire constitue un premier pas vers la réalisation de mesures quantiques non destructives ou de portes logiques quantiques.

  Pour rendre le processus moins gourmand en puissance, donc plus efficace, nous cherchons à exploiter les fortes non-linéarités dans des milieux atomiques excités par des champs électromagnétiques en résonance. Les effets non-linéaires engendrés peuvent être très élevés (“géants”), mais sont néanmoins fortement limités par l'absorption que subissent les champs électromagnétiques en résonance.

La transparence induite électromagnétiquement

  La transparence induite électromagnétiquement (Electromagnetically Induced Transparency ou EIT [Harris]) permet de s'affranchir de cette limitation en rendant une transition atomique transparente à un champ électromagnétique même si celui-ci est en résonance, tout en conservant la réponse non-linéaire (figure 2). Cet effet a déjà été observé dans divers milieux atomiques et a permis notamment de “ralentir” fortement la lumière [Hau]. En utilisant l'EIT, des déphasages non-linéaires importants (jusqu'à Pi) semblent possibles même avec des champs  électromagnétiques de faible intensité, contenant un faible nombre de photons, voire un photon unique [Schmidt].

  Pour implémenter un tel dispositif dans la matière condensée, nous avons choisi d'utiliser un cristal d'Y₂SiO₅ dopé aux ions d'Erbium Er³⁺. Ce sont plus précisément les transitions entre niveaux hyperfins de l'isotope 167 de l'Erbium autour de 1.53 µm que nous voulons exploiter avec l'EIT.

Pourquoi des terres rares ?

  Ces éléments de la classification périodique ont la propriété intéressante de présenter des largeurs de raie homogène très fine (jusqu'à 76 Hz  pour l'Erbium dopé dans Y₂SiO₅ avec un champ magnétique [Bottger]). Ceci correspond à des temps de déphasage très long et donc des interactions cohérentes longues.

Oscillation cohérente de population

 Nous avons par ailleurs travaillé sur une autre effet que l'EIT, qui permet de créer une transparence à l'intérieur de la raie homogène de la transition: les oscillations cohérentes de population [Bigelow]. La figure 6 représente la raie d'absorption obtenue en envoyant une pompe et une sonde légèrement décalée spectralement dans un milieu représenté par un système à deux niveaux et dont le temps de déphasage est beaucoup plus petit que le temps de vie du niveau excité T₂<1. La transparence créée a une largeur inversement proportionnelle à T₁.

   Cette transparence s'accompagne d'une forte réduction de la vitesse de groupe v_g du faisceau. Par exemple v_g = 57 m/s dans le Ruby à température ambiante [Bigelow], v_g = 9800 m/s dans des puits quantique en GaAs (13.5 nm)/Al_0.3Ga_0.7As (15.0 nm) [Ku].

Notre Travail

1 - Spectroscopie

    Nous nous attachons à caractériser au mieux la structure hyperfine de l'Erbium dans la matrice Y₂SiO₅ afin d'optimiser les caractéristiques du systèmes. Différentes expériences de spectrocopie ont été menées :

• spectroscopie linéaire(figure 3)
  La largeur du spectre correspond à la largeur inhomogène de la transition dans la matrice Y₂SiO₅ : la fréquence d'absorption des ions est décalée suivant le champ local vu par l'ion.  La largeur inhomogène de la transition de 1.4 GHz masque la structure hyperfine des ions.
  
• spectroscopie de hole-burning (figure 4) (en collaboration avec le Laboratoire Aimé Cotton)
  La spectrocopie de holeburning consiste à sélectionner une classe d'ions dans la largeur inhomogène en saturant à l'aide d'un pompe leur absorption. Un faisceau sonde peu intense de la longueur d'onde variable,  permet ensuite mesurer le spectre de la classe sélectionnée et nous permet de remonter à la structure hyperfine de l'Erbium.
  
• écho de photon (en collaboration avec le  Laboratoire Aimé Cotton)
  La décroissance de l'amplitude de l'écho suit une loi exponentielle dont le temps caractéristique est lié  au temps de déphasage T₂. Nous avons mesuré T₂ = 3 µs à 1.5 K.
  
• spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (en collaboration avec le Laboratoire de Chimie Appliquée à l'Etat Solide)
  Les spectres obtenus (figure 5) permettent de calculer l'éclatement  hyperfin du niveau fondamental.

2 - Ralentissement de la lumière par CPO

   Dans notre dispositif expérimental la pompe est modulée en amplitude par un Modulateur Acousto-Optique (AOM) ce qui crée deux bandes latérales en fréquence. En changeant la fréquence de modulation, on affecte directement la fréquence de battement entre les deux champs pompe et sonde. Nous détectons la phase et l'amplitude de la modulation ainsi que la composante continue avant et après le cristal d'Y₂SiO₅ Celui-ci qui est situé dans un cryostat maintenu à 4 K ou 1.5 K selon les expériences. La différence de phase détectée est directement la demi-différence de phase entre les deux bandes latérales et donne le retard vu par la sonde.
    Ce retard peut aller jusqu'à 1 ms à très basse fréquence (10 Hz) ce qui correspond à une vitesse de groupe de 3 m/s dans notre cristal d'Y₂SiO₅ de 3 mm d'épaisseur.

Références bibliographiques

Membres

Contacts

Bencheikh Kamel

(+33) 1 69 63 61 86

Et aussi...

Levenson Juan Ariel	(+33) 1 69 63 61 87
Monnier Paul	(+33) 1 69 63 61 83
Grinberg Patricio	(+33) 1 69 63 62 27

Publications

• Identification of Lambda-like systems in Er3+:Y2SiO5 and observation of electromagnetically induced transparency , E. Baldit, K. Bencheikh, P. Monnier, S. Briaudeau, J. A. Levenson, V. Crozatier, I. Lorgeré, F. Bretenaker, J.-L. Le Gouët, O. Guillot-Noël, P. Goldner, Phys. Rev. B 81, 144303 (2010)
• Slow light propagation in a ring erbium-doped fiber , K. Bencheikh, E. Baldit, S. Briaudeau, P. Monnier, J. A. Levenson, G. Mélin, Optics Express 18, 25642 (2010)
• Light propagation in a solid doped with erbium ions: from ultraslow light to superluminal regime , E. Baldit, S. Briaudeau, P. Monnier, K. Bencheikh, J. A. Levenson, C.R. Phys. 10, 927 (2009)
• Electron paramagnetic resonance spectroscopy of Er3+:Y2SiO5 for coherent optical applications , O. Guillot-Noël, P. Goldner, Y. Le Du, E. Baldit, P. Monnier, K. Bencheikh, J. Alloys Compd. 451, 62 (2008)
• Triple photons: a challenge in nonlinear and quantum optics , K. Bencheikh, F. Gravier, J. Douady, J. A. Levenson, B. Boulanger, C.R. Phys. 8, 206 (2007)
• Hyperfine interaction of Er3+ ions in Y2SiO5: An electron paramagnetic resonance spectroscopy study , O. Guillot-Noël, P. Goldner, Y. Le Du, E. Baldit, P. Monnier, K. Bencheikh, Phys. Rev. B 74, 214409 (2006)
• Plus lente que le son dans la matière , K. Bencheikh, J. A. Levenson, Dossier POUR LA SCIENCE 53, 48 (2006)
• Ultraslow light propagation in an inhomogeneously broadened rare-earth ion-doped crystal [PDF] , E. Baldit, K. Bencheikh, P. Monnier, J. A. Levenson, V. Rouget, Phys. Rev. Lett. 95, 143601 (2005)

Contrats et projets

ANR non thématiques

CALIN : Cavités à fort facteur de qualité, guides à modes lents et lumière lente par Interaction non linéaire

Référence de contrat : ANR- 10-BLAN-1002
Coordinateur, Partenaire(s) : K. Bencheikh (LPN ),
Principaux objectifs : Il n'existe pas à notre connaissance de micro/nano-résonateur à fort facteur de qualité où la lumière soit ralentie. Dans les résonateurs à cristal photonique, les facteurs de qualité peuvent dépasser 10^6. Cependant la lumière s'y propage avec des vitesses de groupe de l'ordre de c (>c/20). Les raisons conduisant à la difficulté à ralentir d’avantage la lumière dans des résonateurs de petite taille a été analysée théoriquement dans deux articles récents. Ils pointent sur l’impossibilité d’accorder en phase le mode lent et le mode du résonateur, ainsi que sur l’augmentation de la sensibilité aux pertes lorsque que la vitesse de groupe est réduite. Nous proposons dans ce projet de contourner ces problèmes en obtenant la lumière lente par l’effet OCP et non pas par la seule ingénierie géométrique. Deux avantages majeurs en résultent : l’existence de paramètres indépendants de la géométrie pour adapter les modes et la possibilité de contrôler optiquement, voire dynamiquement, le ralentissement. Plusieurs verrous seront adressés : - Compréhension de l’interaction lumière lente-microcavité dans divers régimes temporels: le partenariat LCFIO-LPN-FOTON permet d’adresser les divers aspects théoriques et numériques en profitant de savoirs-faires bien établis et complémentaires. - Démonstration expérimentale de la lenteur du mode photonique : le partenariat LPEM-LPN permettra de réaliser un montage expérimental basé sur une détection hétérodyne avec une résolution temporelle picoseconde et sub-picoseconde avec pointe diffusante. Ce montage permettra une « visualisation » des modes ralentis. (2010-2013)




ANR PNANO

IRCOQ : Intrication et réseaux de communications quantiques

Référence de contrat : ANR PNANO
Responsable(s) LPN : Kamel Bencheikh
Principaux objectifs : L'objectif central de ce projet est d'étudier la réalisation d’un ensemble de dispositifs pour la mise en oeuvre d’un réseau de communications quantiques, en utilisant des concepts nouveaux qui représenteront des avancées importantes par rapport aux systèmes existants. Afin d'atteindre cet objectif, nous proposons: - de produire des états spécifiques (non gaussiens) de la lumière pour améliorer les protocoles de communication et de cryptographie quantique. - d’implémenter un traitement parallèle de l’information dans les images optiques. - de réaliser expérimentalement des mémoires capables d’enregistrer des données quantiques. (2005-2008)

Stages passés et en cours

Thèse

• Lumière lente par interaction non linéaire et cavités à cristaux photoniques semiconducteurs

P. Grinberg-(En cours depuis 2009-09-01)
Thème : Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : K. Bencheikh , P. Lalanne
Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
En savoir plus

La thèse vise l’étude des effets de ralentissement de lumière intégrés dans des microdispositifs optiques interférentiels à forts facteurs de Qualité ou à modes lents. La possibilité de ralentir la lumière jusqu’à des vitesses de l’ordre du m/s a été démontrée dans divers systèmes atomiques et solides en utilisant des interactions optiques non linéaires telles que la transparence induite électromagnétiquement (TIE) ou les oscillations cohérentes de population (OCP). C’est cette dernière technique qui sera implémentée dans les cristaux photoniques bidimensionnels contenant des puits ou des boîtes quantiques en semi-conducteurs. L’idée de base qui guidera cette thèse est la mise en œuvre de l’effet OCP sur des fortes résonances optiques obtenues dans les micro/nano-cavités à cristal photonique. Une telle combinaison permettra d’obtenir de très forts ralentissements contrôlables optiquement et permettra d’exalter différents effets linéaires ou non linéaires qui seront étudiés au cours de la thèse.