Classification du diamant

Le centre NV dans le diamant présente des caractéristiques qui semblent très prometteuses pour la réalisation d’une source de photons uniques, en particulier une grande photostabilitéàtempérature ambiante. Après une brève présentation du cristal de diamant, hôte du centre NV, nous allons passer en revue les propriétés et les méthodes de préparation des centres NV. Puis nous décrirons le montage expérimental mis au point pour isoler un centre NV unique.Sa dureté fait qu’il est un matériau de choix pour découper ou forer. Sous forme de microcristaux, il est souvent utilisé comme abrasif ou produit de polissage dans l’industrie du verre. De plus il est chimiquement inerte et donc trèsrésistant dans des milieux extrêmes. Dans des conditions normales, il ne subit aucune altération, mais il se transforme en graphite lorsqu’il est chaufféàdes températures supérieures à 850C). Ce procédé permet la création de monocristaux de bonne qualité et de grande taille. La deuxième technique consiste à réaliser un dépôt de carbone assisté par plasma. Cette technique appelée CVD (Chemical Vapor Deposition) permet de contrôler trèsprécisément la formation du cristal et de fabriquer des films de diamant de quelques nanomètres d’épaisseur. A la différence de la première méthode, le diamant ainsi formé est souvent polycristallin. L’avantage de cette technique est de pouvoir doser la quantité d’impureté que l’on ajoute dans le cristal. Les impuretésprésentes dans le cristal de diamant peuvent être optiquement actives, c’est-à- dire fluorescentes. On parle de centres colorés du diamant, car ils sont responsables de la coloration du cristal.

Le type I correspond à l’ensemble des diamants pour lesquels l’absorption optique et paramagné- tique est principalement due aux impuretésd’azote. Une grande partie des diamants naturels font partie de cette catégorie. Ce type est sous divisé en deux catégories supplémentaires, le type Ia et le type Ib. Le type Ia rassemble tous les diamants pour lesquels il n’y a pas d’absorption due à un seul atome d’azote : les impuretésd’azote sont présentes sous forme d’agrégats. La plupart des dia- mants naturels font partie de cette catégorie. Le type Ib contient de façon prédominante des atomes d’azote en substitution. On trouve rarement des diamants naturels dans cette sous-catégorie, qui englobe presque tous les diamants synthétiques. Une caractéristique commune des diamants Ib est la présence de centres colorés. On classe les diamants de Type II en deux sous-catégories en fonction de leur absorption optique due au brome et à l’hydrogène. Le type IIa n’a pas d’absorption due à ces deux éléments. C’est le cristal qui est le plus transparent optiquement. Le type IIb au contraire a une absorption due au brome et à l’hydrogène. Ces cristaux sont souvent utilisés comme semi-conducteurs, puisqu’ils comportent des accepteurs et des donneurs non compensés.Le diamant est transparent dans le domaine visible. La couleur jaune des cristaux de type Ib provient de la queue de l’absorption ultraviolette associée aux impuretésd’azote substitutionnel. Le diamant est aussi très riche en centres colorés [34]. On en dénombre plus d’un millier optiquement actifs, répartis sur un très grand spectre (de l’UV à l’IR). Les centres colorés sont toujours des défauts de la maille cristalline du diamant. Ainsi la présence d’un atome d’azote en substitution à un atome de carbone (centre P1) ou bien l’absence d’un atome de carbone (centre GR) forment des centres optiquement actifs. L’association d’un ou plusieurs atomes d’azote avec une ou plusieurs lacunes forment aussi des centres optiquement actifs.

Parmi les centres colorés du diamant, on distingue le centre NV qui est le centre fluorescent sur lequel notre source de photons uniques est basée. Il est constitué d’un atome d’azote (N) et d’une lacune (V : Vacancy). Il est probablement chargé négativement [39]. La forme non ionisée [N − V ]La raie à zéro phonon est à 637 nm mais le spectre d’émission s’étend sur 100 nm (fig.2.2) à cause des répliques de phonons. Usuellement on observe 3 ou 4 répliques, mais sur des échantillons de très haute qualité, le couplage électron-phonon peut être suffisamment important pour observer jusqu’à 6 répliques à température ambiante [34]. L’élargissement inhomogène est de 750 GHzpour la raie à zéro phonon [34]. Le spectre d’absorption est le symétrique de celui d’émission autour de 637 nm. Il coïncide aussi avec le spectre d’excitation. La longueur d’onde d’excitation peut être choisie indifféremment entre 514 nm et 637 nm.