La couleur d'un diamant vient d'un défaut, ou "vacance, " où il manque un atome de carbone dans le réseau cristallin. Les postes vacants intéressent depuis longtemps les chercheurs en électronique car ils peuvent être utilisés comme "nœuds quantiques" ou comme points constituant un réseau quantique pour le transfert de données. L'un des moyens d'introduire un défaut dans un diamant est de l'implanter avec d'autres éléments, comme l'azote, silicium, ou de l'étain. Dans une étude récente publiée dans ACS Photonique , des scientifiques japonais démontrent que les centres de vacance de plomb dans le diamant ont les bonnes propriétés pour fonctionner comme des nœuds quantiques. "L'utilisation d'un atome lourd du groupe IV comme le plomb est une stratégie simple pour obtenir des propriétés de spin supérieures à des températures élevées, mais les études précédentes n'ont pas permis de déterminer avec précision les propriétés optiques des centres de vacance de plomb, " déclare le professeur agrégé Takayuki Iwasaki de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), qui a dirigé l'étude.

Les trois propriétés critiques que les chercheurs recherchent dans un nœud quantique potentiel sont la symétrie, temps de cohérence de spin, et les lignes à zéro phonon (ZPL), ou des lignes de transition électroniques n'affectant pas les "phonons, " les quanta de vibrations du réseau cristallin. La symétrie donne un aperçu de la façon de contrôler le spin (vitesse de rotation des particules subatomiques comme les électrons), la cohérence fait référence à une identité dans la nature ondulatoire de deux particules, et les ZPL décrivent la qualité optique du cristal.

Les chercheurs ont fabriqué les lacunes de plomb dans le diamant, puis ont soumis le cristal à une pression et à une température élevées. Ils ont ensuite étudié les postes vacants en utilisant la spectroscopie de photoluminescence, une technique qui permet de lire les propriétés optiques et d'estimer les propriétés de spin. Ils ont constaté que les postes vacants de plomb avaient un type de symétrie dièdre, ce qui est approprié pour la construction de réseaux quantiques. Ils ont également constaté que le système présentait une grande « division de l'état fondamental, " une propriété qui contribue à la cohérence du système. Enfin, ils ont vu que le traitement haute pression et haute température qu'ils infligeaient aux cristaux supprimait la distribution inhomogène des ZPL en récupérant les dommages causés au réseau cristallin pendant le processus d'implantation. Un calcul simple a montré que les lacunes de plomb avaient un long temps de cohérence de spin à une température plus élevée (9K) que les systèmes précédents avec des lacunes de silicium et d'étain.

"La simulation que nous avons présentée dans notre étude semble suggérer que le centre de vacance de plomb sera probablement un système essentiel pour créer une interface quantique lumière-matière - l'un des éléments clés de l'application des réseaux quantiques, " conclut un Dr Iwasaki optimiste.

Cette étude ouvre la voie au développement futur de grandes plaquettes de diamant (défectueuses) et de films de diamant minces (défectueux) dotés de propriétés fiables pour les applications de réseaux quantiques.