Dans les diamants (et autres matériaux semi-conducteurs), les défauts sont les meilleurs amis du capteur quantique. En effet, les défauts, essentiellement un arrangement d’atomes bousculés, contiennent parfois des électrons dotés d’un moment cinétique, ou spin, qui peuvent stocker et traiter des informations. Ce « degré de liberté de spin » peut être exploité à diverses fins, telles que la détection de champs magnétiques ou la création d’un réseau quantique.
Chercheurs dirigés par Greg Fuchs, Ph.D. ’07, professeur de physique appliquée et d’ingénierie à Cornell Engineering, est parti à la recherche d’un tel spin dans le nitrure de gallium semi-conducteur populaire et l’a trouvé, de manière surprenante, dans deux espèces distinctes de défauts, dont l’un peut être manipulé pour de futures applications quantiques.
Le journal du groupe, « Résonance magnétique détectée optiquement à température ambiante de spins uniques dans GaN, » a été publié dans Matériaux naturels. L’auteur principal est le doctorant Jialun Luo.
Les défauts sont ce qui donne leur couleur aux pierres précieuses, et pour cette raison, ils sont également appelés centres de couleur. Les diamants roses, par exemple, tirent leur teinte de défauts appelés centres de lacunes d’azote. Cependant, de nombreux centres de couleurs restent encore à identifier, même dans les matériaux couramment utilisés.
« Le nitrure de gallium, contrairement au diamant, est un semi-conducteur mature. Il a été développé pour l’électronique haute fréquence à large bande interdite, et cela a nécessité un effort très intense pendant de très nombreuses années », a déclaré Fuchs. « Vous pouvez en acheter une tranche ; elle se trouve probablement dans le chargeur de votre ordinateur ou dans votre voiture électrique. Mais en termes de matériau pour les défauts quantiques, il n’a pas été beaucoup exploré. »
Afin de rechercher le degré de liberté de spin dans le nitrure de gallium, Fuchs et Luo se sont associés à Farhan Rana, professeur d’ingénierie Joseph P. Ripley, et au doctorant Yifei Geng, avec qui ils avaient déjà exploré le matériau.
Le groupe a utilisé la microscopie confocale pour identifier les défauts via des sondes fluorescentes, puis a mené une multitude d’expériences, telles que la mesure de l’évolution du taux de fluorescence d’un défaut en fonction du champ magnétique et l’utilisation d’un petit champ magnétique pour piloter les transmissions résonantes de spin du défaut. le tout à température ambiante.
« Au début, les données préliminaires montraient des signes de structures de spin intéressantes, mais nous ne pouvions pas piloter la résonance de spin », a déclaré Luo. « Il s’avère que nous devions connaître les axes de symétrie des défauts et appliquer un champ magnétique dans la bonne direction pour sonder les résonances ; les résultats nous ont apporté d’autres questions en attente d’être résolues. »
Les expériences ont montré que le matériau présentait deux types de défauts avec des spectres de spin distincts. Dans l’un d’eux, le spin était couplé à un état excité métastable ; dans l’autre, il était couplé à l’état fondamental.
Dans ce dernier cas, les chercheurs ont pu observer des changements de fluorescence allant jusqu’à 30 % lorsqu’ils conduisaient la transition de spin, un changement de contraste important et relativement rare pour un spin quantique à température ambiante.
« Habituellement, la fluorescence et le spin sont très faiblement liés, donc lorsque vous modifiez la projection du spin, la fluorescence peut changer de 0,1% ou quelque chose de très, très petit », a déclaré Fuchs. « D’un point de vue technologique, ce n’est pas génial parce que vous voulez un grand changement pour pouvoir le mesurer rapidement et efficacement. »
Les chercheurs ont ensuite réalisé une expérience de contrôle quantique. Ils ont découvert qu’ils pouvaient manipuler le spin de l’état fondamental et qu’il possédait une cohérence quantique, une qualité qui permet aux bits quantiques, ou qubits, de conserver leurs informations.
« C’est quelque chose d’assez excitant dans cette observation », a déclaré Fuchs. « Il y a encore beaucoup de travail fondamental à faire, et il y a beaucoup plus de questions que de réponses. Mais la découverte fondamentale du spin dans ce centre de couleur, le fait qu’il présente un fort contraste de spin allant jusqu’à 30 %, qu’il existe dans un matériau semi-conducteur mature, ce qui ouvre toutes sortes de possibilités intéressantes que nous sommes maintenant impatients d’explorer.
Plus d’information:
Jialun Luo et al, Résonance magnétique détectée optiquement à température ambiante de spins uniques dans GaN, Matériaux naturels (2024). DOI : 10.1038/s41563-024-01803-5