Une étude montre que le nitrure de bore hexagonal a le potentiel de remplacer le diamant en tant que matériau de détection quantique

27 juin 2023

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publication évaluée par des pairs

relire

par Centre d'excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs

Le diamant est depuis longtemps le matériau de prédilection pour la détection quantique en raison de ses centres cohérents de lacunes en azote, de son spin contrôlable, de sa sensibilité aux champs magnétiques et de sa capacité à être utilisé à température ambiante. Avec un matériau aussi adapté et si facile à fabriquer et à mettre à l’échelle, l’exploration d’alternatives au diamant suscite peu d’intérêt.

Mais cette CHÈVRE du monde quantique a un talon d'Achille : il est trop gros. Tout comme un secondeur de la NFL n’est pas le meilleur sportif pour participer au Kentucky Derby, le diamant n’est pas un matériau idéal pour explorer les capteurs quantiques et le traitement de l’information. Lorsque les diamants deviennent trop petits, le défaut ultra-stable qui fait leur renommée commence à s'effriter. Il y a une limite à partir de laquelle le diamant devient inutile.

Le hBN a été jusqu’à présent négligé en tant que capteur quantique et plate-forme de traitement de l’information quantique. Cela a changé récemment lorsqu'un certain nombre de nouveaux défauts ont été découverts et s'annoncent comme des concurrents incontournables pour les centres de vacance d'azote du diamant.

Parmi ceux-ci, le centre de lacunes du bore (un seul atome manquant dans le réseau cristallin du hBN) est apparu comme le plus prometteur à ce jour. Il peut cependant exister dans différents états de charge et seul l’état de charge -1 convient aux applications basées sur le spin. Les autres états de charge ont jusqu’à présent été difficiles à détecter et à étudier. Cela était problématique car l’état de charge peut scintiller, basculant entre les états –1 et 0, ce qui le rend instable, en particulier dans les types d’environnements typiques des dispositifs et capteurs quantiques.

Mais comme indiqué dans un article publié dans Nano Letters, des chercheurs du TMOS, le Centre d'excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs, ont développé une méthode pour stabiliser l'état –1 et une nouvelle approche expérimentale pour étudier les états de charge des défauts dans hBN utilisant une excitation optique et une irradiation simultanée par faisceau d'électrons.

Le co-auteur principal Angus Gale déclare : « Cette recherche montre que le hBN a le potentiel de remplacer le diamant en tant que matériau préférentiel pour la détection quantique et le traitement de l'information quantique, car nous pouvons stabiliser les défauts atomiques qui sous-tendent ces applications, ce qui donne lieu à des couches de hBN 2D qui pourraient être intégré dans des appareils là où le diamant ne peut pas être."

Le co-auteur principal Dominic Scognamiglio déclare : « Nous avons caractérisé ce matériau et découvert des propriétés uniques et très intéressantes, mais l'étude du hBN en est à ses débuts. Il n'existe aucune autre publication sur la commutation d'état de charge, la manipulation ou la stabilité des lacunes en bore. , c'est pourquoi nous faisons le premier pas pour combler cette lacune dans la littérature et mieux comprendre ce matériau.

L'enquêteur en chef Milos Toth déclare : "La prochaine phase de cette recherche se concentrera sur les mesures pompe-sonde qui nous permettront d'optimiser les défauts du hBN pour des applications en détection et en photonique quantique intégrée."

La détection quantique est un domaine en évolution rapide. Les capteurs quantiques promettent une meilleure sensibilité et résolution spatiale que les capteurs conventionnels. Parmi ses nombreuses applications, l’une des plus critiques pour l’Industrie 4.0 et la poursuite de la miniaturisation des appareils est la détection précise de la température ainsi que des champs électriques et magnétiques dans les appareils microélectroniques. Être capable de les ressentir est la clé pour les contrôler.

La gestion thermique est actuellement l’un des facteurs limitant l’amélioration des performances des appareils miniaturisés. Une détection quantique précise à l’échelle nanométrique aidera à prévenir la surchauffe des micropuces et à améliorer les performances et la fiabilité.