Les chercheurs du MIT ont, pour la première fois, a fabriqué un capteur quantique à base de diamant sur une puce de silicium. L'avancée pourrait ouvrir la voie à un faible coût, matériel évolutif pour l'informatique quantique, sentir, et communication.

Les "centres de manque d'azote (NV)" dans les diamants sont des défauts avec des électrons qui peuvent être manipulés par la lumière et les micro-ondes. En réponse, ils émettent des photons colorés qui transportent des informations quantiques sur les champs magnétiques et électriques environnants, qui peut être utilisé pour la biodétection, neuroimagerie, détection d'objets, et d'autres applications de détection. Mais les capteurs quantiques traditionnels basés sur la NV ont à peu près la taille d'une table de cuisine, avec cher, composants discrets qui limitent la praticité et l'évolutivité.

Dans un article publié en Nature Électronique , les chercheurs ont trouvé un moyen d'intégrer tous ces composants encombrants, y compris un générateur de micro-ondes, filtre optique, et photodétecteur - sur un boîtier millimétrique, utilisant des techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Notamment, le capteur fonctionne à température ambiante avec des capacités pour détecter la direction et l'amplitude des champs magnétiques.

Les chercheurs ont démontré l'utilisation du capteur pour la magnétométrie, ce qui signifie qu'ils ont pu mesurer les changements de fréquence à l'échelle atomique dus aux champs magnétiques environnants, qui pourraient contenir des informations sur l'environnement. Avec un raffinement plus poussé, le capteur pourrait avoir une gamme d'applications, de la cartographie des impulsions électriques dans le cerveau à la détection d'objets, même sans ligne de mire.

"Il est très difficile de bloquer les champs magnétiques, c'est donc un énorme avantage pour les capteurs quantiques, " déclare le co-auteur Christopher Foy, un étudiant diplômé du Département de génie électrique et informatique (EECS). « S'il y a un véhicule qui circule, dire, un tunnel souterrain en dessous de vous, vous seriez capable de le détecter même si vous ne le voyez pas là-bas."

Rejoindre Foy sur le papier sont :Mohamed Ibrahim, un étudiant diplômé en EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19 ; Matthieu E. Trusheim, un post-doctorat en EECS; Ruonan Han, professeur agrégé à l'EECS et responsable du Terahertz Integrated Electronics Group, qui fait partie des Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT; et Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au MIT, chercheur au Laboratoire de Recherche en Electronique (RLE), et directeur du Laboratoire de photonique quantique.

Rétrécissement et empilage

Les centres NV dans les diamants se produisent là où des atomes de carbone à deux endroits adjacents de la structure du réseau manquent - un atome est remplacé par un atome d'azote, et l'autre espace est une "vacance" vide. Cela laisse des liaisons manquantes dans la structure, où les électrons sont extrêmement sensibles à d'infimes variations électriques, magnétique, et les caractéristiques optiques du milieu environnant.

Le centre NV fonctionne essentiellement comme un atome, avec un noyau et les électrons environnants. Il a également des propriétés photoluminescentes, ce qui signifie qu'il absorbe et émet des photons colorés. Le balayage des micro-ondes à travers le centre peut le faire changer d'état - positif, neutre, et négatif, ce qui modifie à son tour le spin de ses électrons. Puis, il émet différentes quantités de photons rouges, en fonction de l'essorage.

Une technique, appelée résonance magnétique optiquement détectée (ODMR), mesure le nombre de photons émis en interagissant avec le champ magnétique environnant. Cette interaction produit en outre, des informations quantifiables sur le terrain. Pour que tout ça marche, les capteurs traditionnels nécessitent des composants encombrants, y compris un laser monté, source de courant, générateur de micro-ondes, conducteurs pour acheminer la lumière et les micro-ondes, un filtre optique et un capteur, et un composant de lecture.

Les chercheurs ont plutôt développé une nouvelle architecture de puce qui positionne et empile de minuscules, composants peu coûteux d'une certaine manière utilisant la technologie standard complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS), ils fonctionnent donc comme ces composants. « Les technologies CMOS permettent des structures 3D très complexes sur une puce, " dit Ibrahim. " Nous pouvons avoir un système complet sur la puce, et nous n'avons besoin que d'un morceau de diamant et d'une source de lumière verte sur le dessus. Mais cela peut être une LED à puce standard."

Les centres NV à l'intérieur d'une plaque de diamant sont positionnés dans une "zone de détection" de la puce. Un petit laser de pompe vert excite les centres NV, tandis qu'un nanofil placé à proximité des centres NV génère des micro-ondes de balayage en réponse au courant. Essentiellement, la lumière et les micro-ondes fonctionnent ensemble pour que les centres NV émettent une quantité différente de photons rouges, la différence étant le signal cible à lire dans les expériences des chercheurs.

Sous les centres NV se trouve une photodiode, conçu pour éliminer le bruit et mesurer les photons. Entre le diamant et la photodiode se trouve un réseau métallique qui agit comme un filtre qui absorbe les photons laser verts tout en permettant aux photons rouges d'atteindre la photodiode. En bref, cela active un dispositif ODMR sur puce, qui mesure les décalages de fréquence de résonance avec les photons rouges qui transportent des informations sur le champ magnétique environnant.

Mais comment une puce peut-elle faire le travail d'une grosse machine ? Une astuce clé consiste simplement à déplacer le fil conducteur, qui produit les micro-ondes, à une distance optimale des centres NV. Même si la puce est très petite, cette distance précise permet au courant du fil de générer suffisamment de champ magnétique pour manipuler les électrons. L'intégration étroite et la conception codée des fils conducteurs de micro-ondes et des circuits de génération sont également utiles. Dans leur papier, les chercheurs ont pu générer suffisamment de champ magnétique pour permettre des applications pratiques dans la détection d'objets.

Que le début

Dans un autre document présenté plus tôt cette année à la Conférence internationale sur les circuits à semi-conducteurs, les chercheurs décrivent un capteur de deuxième génération qui apporte diverses améliorations à cette conception pour atteindre une sensibilité 100 fois supérieure. Prochain, les chercheurs disent qu'ils ont une "feuille de route" pour savoir comment augmenter la sensibilité de 1, 000 fois. Cela implique essentiellement d'agrandir la puce pour augmenter la densité des centres NV, qui détermine la sensibilité.

S'ils le font, le capteur pourrait être utilisé même dans des applications de neuroimagerie. Cela signifie mettre le capteur près des neurones, où il peut détecter l'intensité et la direction des neurones de décharge. Cela pourrait aider les chercheurs à cartographier les connexions entre les neurones et à voir quels neurones se déclenchent mutuellement. Autres applications futures, notamment un remplacement du GPS pour les véhicules et les avions. Parce que le champ magnétique sur Terre a été si bien cartographié, les capteurs quantiques peuvent servir de boussoles extrêmement précises, même dans des environnements sans GPS.

"Nous ne sommes qu'au début de ce que nous pouvons accomplir, " dit Han. " C'est un long voyage, mais nous avons déjà deux jalons sur la piste, avec les capteurs de première et deuxième génération. Nous prévoyons de passer de la détection à la communication à l'informatique. Nous connaissons la voie à suivre et nous savons comment y parvenir."

"Je suis enthousiasmé par cette technologie de capteur quantique et prévois un impact majeur dans plusieurs domaines, " dit Ron Walsworth, maître de conférences à l'Université Harvard dont le groupe développe des outils de magnétométrie haute résolution à l'aide de centres NV.

"Ils ont franchi une étape clé dans l'intégration des capteurs quantiques à diamant avec la technologie CMOS, y compris la génération et la livraison de micro-ondes sur puce, ainsi que le filtrage sur puce et la détection de la lumière fluorescente porteuse d'informations provenant des défauts quantiques du diamant. L'unité résultante est compacte et relativement peu gourmande en énergie. Les prochaines étapes consisteront à améliorer encore la sensibilité et la bande passante du capteur de diamant quantique [et] à intégrer le capteur de diamant CMOS à des applications de grande envergure, y compris l'analyse chimique, spectroscopie RMN, et caractérisation des matériaux."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.