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Large-scale controlled coupling of single-photon emitters to high-index dielectric nanoantennas by AFM nanoxerography

Authors :
Mélodie Humbert
Romain Hernandez
Nicolas Mallet
Guilhem Larrieu
Vincent Larrey
Frank Fournel
François Guérin
Etienne Palleau
Vincent Paillard
Aurélien Cuche
Laurence Ressier
Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Fédération de recherche « Matière et interactions » (FeRMI)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)
Université Grenoble Alpes (UGA)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Nano-Optique et Nanomatériaux pour l'optique (CEMES-NeO)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Source :
Nanoscale, Nanoscale, 2023, 15 (2), pp.599-608. ⟨10.1039/d2nr05526k⟩
Publication Year :
2023
Publisher :
HAL CCSD, 2023.

Abstract

Improving the brightness of single-photon sources by means of optically resonant nanoantennas is a major stake for the development of efficient nanodevices for quantum communications. We demonstrate that nanoxerography by atomic force microscopy makes possible the fast, robust and repeatable positioning of model quantum nanoemitters (nitrogen-vacancy NV centers in nanodiamonds) on a large-scale in the gap of silicon nanoantennas with a dimer geometry. By tuning the parameters of the nanoxerography process, we can statistically control the number of deposited nanodiamonds, yielding configurations down to a unique single photon emitter coupled to these high index dielectric nanoantennas, with high selectivity and enhanced brightness induced by a near-field Purcell effect. Numerical simulations are in very good quantitative agreement with time-resolved photoluminescence experiments. A multipolar analysis reveals in particular all the aspects of the coupling between the dipolar single emitter and the Mie resonances hosted by these simple nanoantennas. This proof of principle opens a path to a genuine and large-scale spatial control of the coupling of punctual quantum nanoemitters to arrays of optimized optically resonant nanoantennas. It paves the way for future fundamental studies in quantum nano-optics and toward integrated photonics applications for quantum technologies.

Details

Language :
English
ISSN :
20403364 and 20403372
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nanoscale, Nanoscale, 2023, 15 (2), pp.599-608. ⟨10.1039/d2nr05526k⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....0f187d7e6e5569244de8cd94e291b848