Single photon emission from a single molecule

François Treussart; Romain Alléaume; Véronique Le Floc'h; Jean-François Roch

doi:10.1016/S1631-0705(02)01331-2

Photonique moleculaire : matériaux, physique et composants/Molecular photonics: materials, physics and devices

Single photon emission from a single molecule
[L'émission de photons uniques par une molécule individuelle]

François Treussart ¹ ; Romain Alléaume ¹ ; Véronique Le Floc'h ¹ ; Jean-François Roch ¹

¹ Laboratoire de photonique quantique et moléculaire (UMR 8537 du CNRS et de l'École normale supérieure de Cachan), ENS Cachan, 61, avenue du Président Wilson, 94235 Cachan cedex, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 3 (2002) no. 4, pp. 501-508.

Résumé
Abstract

L'émission de photons par une molécule unique présente des caractéristiques non classiques. Lorsque l'on excite sa fluorescence avec un laser continu, il apparaı̂t un phénomène de dégroupement des photons, preuve qu'ils sont émis un à un. L'excitation par des impulsions brèves permet ensuite de produire des photons à la demande, avec une efficacité globale de 4,5 % dans notre dispositif expérimental. La mesure directe du paramètre de Mandel Q(T), pour une durée d'observation T, met en évidence des fluctuations d'intensité dont la statistique est subpoissonnienne aux échelles de temps court, et superpoissonnienne sur des échelles de temps plus long. Nous attribuons ce dernier effet au scintillement de la fluorescence qu'entraı̂ne la présence d'un état triplet métastable.

Photon emission from a single molecule at room temperature exhibits nonclassical features. Continuous wave fluorescence excitation provides antibunching in the emitted photons sequence as a signature of the property to only emit one photon at a time. A short pulsed excitation can then produce single photons on demand, with an overall quantum efficiency up to 4.5% in our experimental setup. Direct measurement of the Mandel parameter Q(T) for an observation period of duration T follows a subpoissonian statistics on short time scale and superpoissonian statistics on longer time scale. The latter is attributed to blinking in the fluorescence due to the occurence of a metastable molecular triplet state.

Accepté le : 2002-03-01
Publié le : 2002-01-01

DOI : 10.1016/S1631-0705(02)01331-2

Keywords: single molecule spectroscopy, nonclassical electromagnetic field state, quantum cryptography
Mots-clés : détection de molécules uniques, état non classique du champ électromagnétique, cryptographie quantique

Affiliations des auteurs :

François Treussart ¹ ; Romain Alléaume ¹ ; Véronique Le Floc'h ¹ ; Jean-François Roch ¹

¹ Laboratoire de photonique quantique et moléculaire (UMR 8537 du CNRS et de l'École normale supérieure de Cachan), ENS Cachan, 61, avenue du Président Wilson, 94235 Cachan cedex, France

@article{CRPHYS_2002__3_4_501_0,
     author = {Fran\c{c}ois Treussart and Romain All\'eaume and V\'eronique Le Floc'h and Jean-Fran\c{c}ois Roch},
     title = {Single photon emission from a single molecule},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {501--508},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {3},
     number = {4},
     year = {2002},
     doi = {10.1016/S1631-0705(02)01331-2},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - François Treussart
AU  - Romain Alléaume
AU  - Véronique Le Floc'h
AU  - Jean-François Roch
TI  - Single photon emission from a single molecule
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2002
SP  - 501
EP  - 508
VL  - 3
IS  - 4
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/S1631-0705(02)01331-2
LA  - en
ID  - CRPHYS_2002__3_4_501_0
ER  -

%0 Journal Article
%A François Treussart
%A Romain Alléaume
%A Véronique Le Floc'h
%A Jean-François Roch
%T Single photon emission from a single molecule
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2002
%P 501-508
%V 3
%N 4
%I Elsevier
%R 10.1016/S1631-0705(02)01331-2
%G en
%F CRPHYS_2002__3_4_501_0

François Treussart; Romain Alléaume; Véronique Le Floc'h; Jean-François Roch. Single photon emission from a single molecule. Comptes Rendus. Physique, Volume 3 (2002) no. 4, pp. 501-508. doi : 10.1016/S1631-0705(02)01331-2. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/S1631-0705(02)01331-2/

Bibliographie
Cité par

[1] N. Gisin; G. Ribordy; W. Tittel; H. Zbinden Rev. Mod. Phys. (2001) (submitted) | arXiv

[2] J. Kim; O. Benson; H. Kan; Y. Yamamoto Nature, 397 (1999), p. 500

[3] P. Michler; A. Kiraz; C. Becher; W. Schoenfeld; P. Petroff; L. Shang; E. Hu; A. Imamoǧlu Science, 290 (2000), p. 2282

[4] C. Santori; M. Pelton; G. Solomon; Y. Dale; Y. Yamamoto Phys. Rev. Lett., 86 (2001), p. 1502

[5] E. Moreau; I. Robert; J.-M. Gérard; I. Abram; L. Manin; V. Thierry-Mieg Appl. Phys. Lett., 79 (2001), p. 2865

[6] Z. Yuan; B.E. Kardynal; R. Stevenson; A. Shields; C. Lobo; K. Cooper; N. Beattie; D. Ritchie; M. Pepper Science, 295 (2002), p. 102

[7] P. Tamarat; A. Maali; B. Lounis; M. Orrit J. Phys. Chem. A, 104 (2000), p. 1

[8] C. Brunel; B. Lounis; P. Tamarat; M. Orrit Phys. Rev. Lett., 83 (1999), p. 2722

[9] F.D. Martini; G.D. Giuseppe; M. Marrocco Phys. Rev. Lett., 76 (1996), p. 900

[10] R. Brouri; A. Beveratos; J.-P. Poizat; P. Grangier Phys. Rev. A, 62 (2000), p. 063817

[11] B. Lounis; W.E. Moerner Nature, 407 (2000), p. 491

[12] L. Fleury; B. Sick; G. Zumofen; B. Hecht; U. Wild Molec. Phys., 95 (1998), p. 1333

[13] L. Fleury; J.-M. Segura; G. Zumofen; B. Hecht; U. Wild Phys. Rev. Lett., 84 (2000), p. 1148

[14] F. Treussart; A. Clouqueur; C. Grossman; J.-F. Roch Opt. Lett., 26 (2001), p. 1504

[15] F. Treussart; R. Alléaume; V.L. Floc'h; L. Xiao; J.-M. Courty; J.-F. Roch (2002) | arXiv

[16] A. Beveratos; S. Kühn; R. Brouri; T. Gacoin; J.-P. Poizat; P. Grangier Eur. Phys. J. D, 18 (2002), p. 191

[17] A. Gruber; A. Dräbenstedt; C. Tietz; L. Fleury; J. Wrachtrup; C.V. Borczyskowsky Science, 276 (1997), p. 2012

[18] C. Kurtsiefer; S. Mayer; P. Zarda; H. Weinfurter Phys. Rev. Lett., 85 (2000), p. 290

[19] R. Brouri; A. Beveratos; J.-P. Poizat; P. Grangier Opt. Lett., 25 (2000), p. 1294

[20] S. Nie; R. Zare Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 26 (1997), p. 567

[21] C. Kurtsiefer; P. Zarda; S. Mayer; H. Weinfurter J. Mod. Opt. (2001) (submitted)

[22] S. Reynaud Ann. Phys. France, 8 (1983), p. 315

[23] J. Bernard; L. Fleury; H. Talon; M. Orrit J. Chem. Phys, 98 (1993), p. 850

[24] J. Lakowicz Principles of Fluorescence Spectroscopy, Kluwer Academic, 1999

[25] P. Grangier; G. Roger; A. Aspect Europhys. Lett., 1 (1986), p. 173

[26] R. Loudon The Quantum Theory of Light, Oxford University Press, 2000

[27] R. Short; L. Mandel Phys. Rev. Lett., 51 (1983), p. 384

[28] F. Diedrich; H. Walther Phys. Rev. Lett., 58 (1987), p. 203

[29] L. Mandel Opt. Lett., 4 (1979), p. 205 In the definition of Q(T), 〈〉_T stands for the mean value over sets of measurements lasting T

[30] J. Abate; H. Kimble; L. Mandel Phys. Rev. A, 14 (1976), p. 788

[31] J. Veerman; M. Garcia-Parajo; L. Kuipers; N.V. Hulst Phys. Rev. Lett., 83 (1999), p. 2155

[32] J. Macklin; J. Trautman; T. Harris; L. Brus Science, 272 (1996), p. 255

[33] M. Maus; M. Cotlet; J. Hofkens; T. Gensch; F. de Schryver Anal. Chem., 73 (2001), p. 2078

[34] R. Chance; A. Prock; R. Silbey J. Chem. Phys., 60 (1974), p. 2744

[35] R. Chance; A. Miller; A. Prock; R. Silbey J. Chem. Phys., 63 (1975), p. 1589

[36] W. Lukosz J. Opt. Soc. Am., 69 (1979), p. 1495

[37] J. Schön; H. Meng; Z. Bao Science, 294 (2001), p. 2138

[38] J. Schön; H. Meng; Z. Bao Nature, 413 (2001), p. 713

Cité par Sources :

Commentaires - Politique