Matériaux améliorés pour la technologie des capteurs quantiques

Représentation schématique du contrôle cohérent d’un défaut de spin (rouge) dans une couche atomique de nitrure de bore. Le nitrure de bore se compose de bore (sphères jaunes) et d’azote (sphères bleues) et repose sur une stripline. Le défaut de spin est excité par un laser et son état est lu par photoluminescence. Le qubit peut être manipulé à la fois par des impulsions micro-ondes (bleu clair) de la stripline et également par un champ magnétique. Crédit: Andreas Gottscholl / Université de Wuerzburg

Une équipe de recherche internationale a progressé vers des matériaux améliorés pour la technologie des capteurs quantiques. La médecine, la navigation et l’informatique pourraient en bénéficier à l’avenir.

Le nitrure de bore est un matériau technologiquement intéressant car il est très compatible avec d’autres structures cristallines bidimensionnelles. Elle ouvre ainsi des voies vers des hétérostructures artificielles ou des dispositifs électroniques construits sur elles avec des propriétés fondamentalement nouvelles.

Il y a environ un an, une équipe de l’Institut de physique de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, en Allemagne, a réussi à créer des défauts de spin, également connus sous le nom de qubits, dans un cristal stratifié de nitrure de bore et à les identifier expérimentalement.

Récemment, l’équipe dirigée par le professeur Vladimir Dyakonov, son doctorant Andreas Gottscholl et le chef de groupe PD Dr Andreas Sperlich, a réussi à franchir une étape importante: le contrôle cohérent de ces défauts de spin, et cela même à température ambiante. Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans la revue percutante Progrès scientifiques. Malgré la pandémie, les travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration internationale intensive avec des groupes de l’Université de technologie de Sydney en Australie et de l’Université Trent au Canada.

Les chercheurs du JMU prévoient de réaliser une telle structure empilée. Il se compose de graphène métallique (en bas), de nitrure de bore isolant (au milieu) et de bisulfure de molybdène semi-conducteur (en haut). Le point rouge symbolise le défaut de spin unique dans l’une des couches de nitrure de bore. Le défaut peut servir de sonde locale dans la pile. Crédit: Andreas Gottscholl / Université de Wuerzburg

Mesurer encore plus précisément les champs électromagnétiques locaux

«Nous prévoyons que les matériaux avec des défauts de spin contrôlables permettront des mesures plus précises des champs électromagnétiques locaux une fois qu’ils seront utilisés dans un capteur», explique Vladimir Dyakonov, «et c’est parce qu’ils sont, par définition, à la frontière du monde environnant, qui doit être mappé. Les domaines d’application envisageables sont l’imagerie en médecine, la navigation, partout où la mesure sans contact des champs électromagnétiques est nécessaire, ou dans les technologies de l’information.

«La recherche par la communauté de recherche du meilleur matériel pour cela n’est pas encore terminée, mais il existe plusieurs candidats potentiels», ajoute Andreas Sperlich. «Nous pensons avoir trouvé un nouveau candidat qui se distingue par sa géométrie plate, qui offre les meilleures possibilités d’intégration en électronique.»

Limites des temps de cohérence de spin surmontées avec difficulté

Toutes les expériences sensibles au spin avec le nitrure de bore ont été réalisées au JMU. «Nous avons pu mesurer les temps de cohérence de spin caractéristiques, déterminer leurs limites et même surmonter ces limites de manière délicate», déclare Andreas Gottscholl, doctorant et premier auteur de la publication, ravi. La connaissance des temps de cohérence de spin est nécessaire pour estimer le potentiel des défauts de spin pour les applications quantiques, et de longs temps de cohérence sont hautement souhaitables car on veut éventuellement effectuer des manipulations complexes.

Gottscholl explique le principe en termes simplifiés: «Imaginez un gyroscope qui tourne autour de son axe. Nous avons réussi à prouver que de tels mini gyroscopes existent dans une couche de nitrure de bore. Et maintenant, nous avons montré comment contrôler le gyroscope, c’est-à-dire, par exemple, le dévier de n’importe quel angle sans même le toucher, et surtout, contrôler cet état.

Le temps de cohérence réagit de manière sensible aux couches atomiques voisines

La manipulation sans contact du «gyroscope» (l’état de spin) a été réalisée grâce au champ électromagnétique pulsé haute fréquence, les micro-ondes résonantes. Les chercheurs du JMU ont également pu déterminer combien de temps le «gyroscope» maintient sa nouvelle orientation. À proprement parler, l’angle de déviation doit être considéré ici comme une illustration simplifiée du fait qu’un qubit peut prendre de nombreux états différents, pas seulement 0 et 1 comme un peu.

Qu’est-ce que cela a à voir avec la technologie des capteurs? L’environnement atomique direct dans un cristal influence l’état de spin manipulé et peut réduire considérablement son temps de cohérence. «Nous avons pu montrer à quel point la cohérence réagit extrêmement sensible à la distance aux atomes et noyaux atomiques les plus proches, aux impuretés magnétiques, à la température et aux champs magnétiques – ainsi l’environnement du qubit peut être déduit de la mesure du temps de cohérence », Explique Andreas Sperlich.

Objectif: Appareils électroniques avec des couches de nitrure de bore décorées par rotation

Le prochain objectif de l’équipe JMU est de réaliser un cristal bidimensionnel empilé artificiellement composé de différents matériaux, y compris un composant porteur de spin. Les éléments constitutifs essentiels de ce dernier sont des couches de nitrure de bore atomiquement minces contenant des défauts optiquement actifs avec un état de spin accessible.

«Il serait particulièrement intéressant de contrôler les défauts de spin et leur environnement dans les appareils 2D non seulement optiquement, mais via le courant électrique. C’est un territoire complètement nouveau », déclare Vladimir Dyakonov.

Référence: «Contrôle cohérent à température ambiante des défauts de spin dans le nitrure de bore hexagonal» par Andreas Gottscholl, Matthias Diez, Victor Soltamov, Christian Kasper, Andreas Sperlich, Mehran Kianinia, Carlo Bradac, Igor Aharonovich et Vladimir Dyakonov, 2 avril 2021, Progrès scientifiques.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf3630

Le travail a été financé par la Fondation allemande pour la recherche DFG et la Fondation Alexander von Humboldt. Vladimir Dyakonov est chercheur principal au sein du cluster d’excellence Würzburg-Dresden ct.qmat, dont les sujets incluent le contrôle des interfaces spin-photon dans les systèmes de matériaux topologiques.