Les boîtes quantiques pourraient un jour constituer les unités d'information de base des ordinateurs quantiques. En collaboration avec des collègues de Copenhague et de Bâle, des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et de l'Université technique de Munich (TUM) ont amélioré de manière décisive le processus de fabrication de ces minuscules structures semi-conductrices. Les points quantiques sont générés sur une tranche :un mince disque de cristal semi-conducteur. Jusqu'à présent, la densité de telles structures sur la plaquette était difficile à contrôler. Désormais, les chercheurs peuvent créer des arrangements spécifiques de manière ciblée, une étape importante vers un composant applicable qui devrait avoir un grand nombre de points quantiques.

L'équipe a publié ses conclusions le 28 mars 2022 dans la revue Nature Communications . L'étude a été menée par un groupe dirigé par Nikolai Bart, le professeur Andreas Wieck et le Dr Arne Ludwig de la chaire RUB de physique appliquée du solide en coopération avec l'équipe dirigée par Christian Dangel et le professeur Jonathan Finley du TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems. groupe de recherche et des collègues des universités de Copenhague et de Bâle.

Comme des champignons dans la forêt

Les points quantiques sont des zones étroitement définies dans un semi-conducteur dans lesquelles, par exemple, un seul électron peut être confiné. Cela peut être manipulé de l'extérieur, par exemple avec de la lumière, de sorte que les informations peuvent être stockées dans le point quantique. Les chercheurs de Bochum sont experts dans la production de points quantiques. Ils créent les structures sur une plaquette faite d'un matériau semi-conducteur qui a à peu près la taille d'un sous-bock. Les points quantiques ont un diamètre d'environ 30 nanomètres seulement.

"Avant, nos points quantiques poussaient comme des champignons dans la forêt", comme Andreas Wieck décrit la situation initiale. "Nous savions qu'ils émergeraient quelque part sur la plaquette, mais pas exactement où." Les chercheurs ont ensuite choisi un champignon approprié dans la forêt pour leurs expériences avec les points quantiques.

Expériences de culture préliminaires

Dans un certain nombre d'expériences préliminaires, l'équipe avait déjà tenté d'influencer la croissance des points quantiques sur la plaquette. Les physiciens avaient irradié la plaquette en des points individuels avec des ions focalisés, créant ainsi des défauts dans le réseau cristallin semi-conducteur. Agissant comme des noyaux de condensation, ces défauts ont provoqué la croissance de boîtes quantiques. "Mais tout comme les champignons cultivés ont un goût un peu fade tandis que les champignons forestiers ont bon goût, les points quantiques ainsi créés n'étaient pas d'aussi bonne qualité que les points quantiques cultivés naturellement", illustre Andreas Wieck. Ils ne rayonnaient pas aussi parfaitement la lumière.

Par conséquent, l'équipe a procédé avec les points quantiques naturellement développés. Pour les expériences, la plaquette de la taille d'un sous-bock a été découpée en rectangles d'un millimètre. Ils ne pouvaient pas analyser l'intégralité de la plaquette en une fois, car la chambre à vide de l'appareil RUB n'était tout simplement pas assez grande. Cependant, les chercheurs ont observé que certains rectangles de plaquettes contenaient de nombreux points quantiques, tandis que d'autres en contenaient peu. "Au début, nous n'avons remarqué aucun système derrière", se souvient Andreas Wieck, car les chercheurs n'ont jamais vu la situation dans son ensemble.

Points quantiques de haute qualité

Pour approfondir la question, l'équipe de Bochum a coopéré avec ses collègues du TUM, qui disposaient très tôt d'un appareil de mesure avec une chambre d'échantillon plus grande. Au cours de ces analyses, le groupe a constaté qu'il y avait une étrange répartition des zones avec des densités de points quantiques élevées et faibles sur la plaquette. "Les structures rappelaient fortement un motif moiré qui se produit souvent dans les images numériques. J'ai rapidement eu l'idée qu'il devait en fait s'agir d'un motif concentrique, c'est-à-dire des anneaux, et que ceux-ci pouvaient être vus en corrélation avec notre croissance cristalline", explique Arne Ludwig. Des mesures avec une résolution plus élevée ont en effet montré que la densité de points quantiques était distribuée de manière concentrique. Par la suite, les chercheurs ont confirmé que cet arrangement était dû au processus de fabrication.

Dans la première étape, la plaquette est recouverte de couches atomiques supplémentaires. En raison de la géométrie du système de revêtement, cela crée des structures en forme d'anneaux qui ont une couche atomique complète, c'est-à-dire où aucun atome ne manque à aucun point de la couche. Entre les anneaux, des zones tout aussi larges se forment qui manquent d'une couche atomique complète et ont donc une surface plus rugueuse car des atomes individuels manquent. Cela a des conséquences sur la croissance des boîtes quantiques. "Pour rester dans l'image :plutôt que sur une surface bétonnée, les champignons préfèrent pousser sur le sol de la forêt, c'est-à-dire sur les aspérités de la galette", explique Andreas Wieck.

Les chercheurs ont optimisé le processus de revêtement pour que les zones rugueuses apparaissent à intervalles réguliers - de moins d'un millimètre - sur le wafer et que les anneaux se croisent. Cela a abouti à un motif presque en forme d'échiquier avec des points quantiques de haute qualité, comme l'ont démontré les chercheurs de Bâle et de Copenhague. + Explorer plus loin

Interaction lumière-matière sans détraction