journal article·2023

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

Mélodie Humbert, Romain Hernandez, Nicolas Mallet, Guilhem Larrieu, Vincent Larrey, Frank Fournel, François Guérin, Etienne Palleau, Vincent Paillard, Aurélien Cuche, Laurence Ressier

Nanoscale· Volume 15· Issue 2
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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.
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Research context

OpenAlex topics: Diamond and Carbon-based Materials Research · Mechanical and Optical Resonators · Photonic and Optical Devices

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Université de Toulouse, LPCNO, INSA-UPS-CNRS, 135 avenue de Rangueil, F-31077 Toulouse Cedex 4, France

CEMES-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, UPS, 29 rue Jeanne Marvig, 31055 Toulouse Cedex, France

LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, UPS, 7 avenue du Colonel Roche BP 54200, 31031 Toulouse Cedex 4, France

Université Grenoble Alpes, CEA, LETI, 17 Avenue des Martyrs, F-38000 Grenoble, France

Funding

Agence Nationale de la Recherche

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