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 se trouve sur une ligne à ruban. 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 les impulsions micro-ondes (bleu clair) de la ligne à ruban et également par un champ magnétique. Crédit :Andreas Gottscholl/Université de Würzburg
Le nitrure de bore est un matériau technologiquement intéressant car il est très compatible avec d'autres structures cristallines bidimensionnelles. Il ouvre donc la voie à des hétérostructures artificielles ou à des dispositifs électroniques construits dessus avec des propriétés fondamentalement nouvelles.
Il y a à peu près un an, une équipe de l'Institut de physique de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg en Bavière, Allemagne, réussi à créer des défauts d'essorage, également appelés qubits, dans un cristal stratifié de nitrure de bore et les identifier expérimentalement.
Récemment, l'équipe dirigée par le professeur Vladimir Dyakonov, son doctorat étudiant Andreas Gottscholl et chef de groupe PD Dr. Andreas Sperlich, réussi à franchir une nouvelle étape importante :le contrôle cohérent de tels défauts de spin, et cela même à température ambiante. Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans le journal percutant Avancées scientifiques . Malgré la pandémie, le travail a été réalisé 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.
Mesurer encore plus précisément les champs électromagnétiques locaux
"Nous nous attendons à ce que les matériaux avec des défauts de spin contrôlables permettent des mesures plus précises des champs électromagnétiques locaux une fois qu'ils sont utilisés dans un capteur", explique Vladimir Diakonov, "et c'est parce qu'ils sont, par définition, à la frontière du monde environnant, qui doit être cartographié. Les domaines d'application envisageables sont l'imagerie en médecine, la navigation, partout où la mesure sans contact des champs électromagnétiques est nécessaire, ou en informatique.
« La recherche par la communauté des chercheurs du meilleur matériau pour cela n'est pas encore terminée, mais il y a plusieurs candidats potentiels, " ajoute Andreas Sperlich. " Nous pensons avoir trouvé un nouveau candidat qui se démarque par sa géométrie plate, qui offre les meilleures possibilités d'intégration en électronique."
Limites des temps de cohérence de spin délicatement surmontées
Les chercheurs du JMU envisagent de réaliser une telle structure empilée. Il se compose de graphène métallique (en bas), nitrure de bore isolant (au milieu) et 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 Würzburg
Toutes les expériences sensibles au spin avec le nitrure de bore ont été réalisées à JMU. "Nous avons pu mesurer les temps de cohérence de spin caractéristiques, déterminer leurs limites et même les dépasser délicatement, " se réjouit Andreas Gottscholl, doctorat étudiant et premier auteur de la publication. La connaissance des temps de cohérence de spin est nécessaire pour estimer le potentiel de défauts de spin pour les applications quantiques, et des temps de cohérence longs 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, pour le dévier sous n'importe quel angle sans même le toucher, et par dessus tout, pour 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 à haute fréquence, les micro-ondes résonantes. Les chercheurs du JMU ont également pu déterminer combien de temps le « gyroscope » conserve sa nouvelle orientation. À proprement parler, l'angle de déviation doit être vu 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 considérablement raccourcir 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 - donc 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 centrifugation
Le prochain objectif de l'équipe JMU est de réaliser un cristal bidimensionnel empilé artificiellement fait de différents matériaux, comprenant un composant de roulement de rotation. Les blocs de construction essentiels pour ces derniers 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 dispositifs 2-D non seulement optiquement, mais via le courant électrique. C'est un territoire complètement nouveau, ", dit Vladimir Dyakonov.
