Étude de semiconducteurs par des techniques de spectroscopie quantique

Abstract

Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation.

This master's thesis purpose is the implementation of a novel quantum spectroscopy technique for material characterisation. Quantum spectroscopy, like classical spectroscopy, is the study of materials using light. What differs is the type of light which is used. In the present case, photon pairs who share entanglement are used as a probe. From a spectroscopic point of view, the quantum properties of the entanglement can be used to offer a net advantage to quantum light over classical light. First, while exploring the different techniques proposed by the community, we will discuss many advantages offered by the quantum spectroscopy. Next, we will offer the theoritical tools required to the understanding of the entangled photons generation phenomenom, which is the spontaneous parametric down convertion. Then, we will discuss important features of the second order correlation function which are present in the entangled photons detection formalism. Important non classical spectral properties of the biphoton field will also be exposed. In addition, the experimental details about the building of a Hong-Ou-Mandel like interferometer, with a material to characterise in one of the arms, will be given. The interaction with the material will modify the biphoton properties, which will be visible in the anticorrelation dip caused by two-photon quantum interference. Despite the impossibility to measure the anticorrelation dip, because of the too low coupling of the photons in the interferometer, we observed entangled photon generation. Nevertheless, the possibility to observe two-photon interference as been shown by measuring quantum oscillations caused by one photon interference. This validate the possibility to use this technique as a material characterisation spectroscopic tool.