Rapport de recherche sur la cohérence de spins quantiques dans le nitrure de bore hexagonal à température ambiante

Introduction

La réalisation de réseaux quantiques et de capteurs nécessite que les interfaces spin-photon en état solide aient la capacité de générer des photons uniques et de maintenir une cohérence de spin de longue durée, tout en pouvant être intégrées dans des dispositifs évolutifs. Idéalement, ces dispositifs devraient fonctionner à température ambiante. Cependant, malgré des progrès rapides dans plusieurs systèmes candidats, les systèmes capables de maintenir une cohérence quantique de spin unique à température ambiante restent très rares. Cette étude vise à combler cette lacune en explorant la faisabilité d’un contrôle quantique cohérent à température ambiante dans un matériau en couches de van der Waals - le nitrure de bore hexagonal (hBN).

Source de l’article

Cet article, intitulé “A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions”, a été rédigé par Hannah L. Stern et al., des institutions de recherche comme le Cavendish Laboratory à l’Université de Cambridge et l’Université de Technologie de Sydney. Cette recherche a été acceptée le 2 avril 2024 par la revue Nature Materials et sera prochainement publiée en ligne.

Processus de recherche

Objet de l’étude et préparation des échantillons

L’objet de l’étude concerne les défauts émetteurs de photons uniques dans le nitrure de bore hexagonal (hBN). Les échantillons sont cultivés par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOVPE) sur des substrats en saphir, avec l’introduction de défauts en utilisant une source de carbone et de l’ammoniac. En contrôlant le débit de la source de carbone, il est possible d’introduire des défauts avec une activité de spin unique dans le hBN.

Mesures optiques

Les mesures optiques ont été réalisées à température ambiante et dans des conditions environnementales, en utilisant un système de microscope confocal maison. Une excitation par laser continu à 532 nanomètres a été utilisée, et la fluorescence a été détectée à l’aide d’un photodétecteur (APD) ou par spectroscopie de photoluminescence. De plus, un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss a été utilisé pour effectuer des mesures de corrélation d’intensité.

Mesures ODMR

La détection optique de la résonance magnétique (ODMR) a été utilisée pour détecter les états de spin des défauts. En appliquant un champ forcé et un champ magnétique continu sur les défauts, des mesures ODMR en onde continue et en impulsion ont été effectuées pour obtenir les fréquences de résonance de spin et le temps de relaxation spin-réseau (T1), entre autres paramètres.

Expérimentation et analyse des données

Une série de mesures magnéto-optiques résolues en angle et de mesures par interférométrie micro-ondes, comme les oscillations de Rabi et l’interférométrie de Ramsey, ont été utilisées pour observer le comportement dynamique et la cohérence du spin des défauts. Des expériences de dégroupage dynamique par impulsion ont été employées pour prolonger le temps de cohérence des spins.

Principaux résultats de la recherche

État fondamental en triplet de spin

Des mesures magnéto-optiques résolues en angle ont confirmé que les défauts dans le nitrure de bore hexagonal ont un état fondamental en triplet de spin (S=1), avec une séparation de champ nul de 1,96 GHz. Plusieurs signaux ODMR des défauts ont montré un contraste significatif et ont révélé deux fréquences de résonance distinctes à champ nul, de 1,87 GHz et 1,99 GHz respectivement. Des mesures ODMR dépendant du champ vecteur ont confirmé que l’axe Z du défaut est dans le plan des couches de hBN.

Mesure du temps de cohérence de spin

La mesure d’interférométrie de Ramsey par micro-ondes a déterminé le temps de déphasage brut non homogène (T*_2) d’environ 100 ns pour un seul défaut. De manière surprenante, sans champ magnétique, le temps de cohérence de Rabi (T_Rabi) sous excitation continue a dépassé 1 μs, indiquant que les spins électroniques peuvent être efficacement séparés de leur environnement de déphasage réversible.

Découplage dynamique et protection

Des expériences de dégroupage dynamique par impulsion ont montré que le temps de cohérence d’écho de spin (T_SE) était d’environ 200 ns, et ce temps pouvait être prolongé au-delà de 1 μs avec l’augmentation des impulsions de dégroupage. La relation entre le temps de cohérence et le nombre d’impulsions de dégroupage suivait une loi de puissance proche de 0,67, ce qui était cohérent avec les prédictions théoriques d’un spin électronique central couplé à un petit nombre de noyaux voisins évoluant lentement. La structure fine des signaux ODMR a confirmé l’hyperfine avec quelques atomes de bore et de l’azote inégaux.

Structure chimique des défauts liés au carbone

Les spectres ODMR dépendant de la direction et de l’intensité du champ magnétique, combinés avec un modèle d’hyperfine entre le spin électronique et deux noyaux inégaux, ont permis de déchiffrer davantage la structure chimique des défauts. Ces résultats fournissent des références importantes pour les recherches théoriques visant à déterminer la structure microscopique de ce défaut en triplet de spin basé sur le carbone.

Conclusion et signification de la recherche

Cette étude a réussi à mettre en œuvre un contrôle cohérent de spin quantique dans le nitrure de bore hexagonal à température ambiante, avec une cohérence de spin de longue durée et une capacité d’émission de photons uniques. Cette découverte fournit une nouvelle plateforme matérielle pour la construction de dispositifs quantiques évolutifs comme les réseaux et les capteurs quantiques. En particulier dans le domaine de la détection quantique, la cohérence de spin à température ambiante et la flexibilité de couplage avec les noyaux proches rendent ce système de défaut particulièrement prometteur en tant que capteur nanométrique. Grâce au dégroupage dynamique qui prolonge le temps de cohérence de spin, il est prometteur de réaliser un traitement de l’information quantique et une détection à haute efficacité dans des environnements sans champ magnétique et à température ambiante.

Points forts de la recherche

1. Réalisation d’un triplet de spin à champ nul: Cette recherche a réalisé pour la première fois un contrôle cohérent quantique de défauts en triplet de spin dans le nitrure de bore hexagonal à champ nul.
2. Cohérence de spin de longue durée: Grâce aux expériences de dégroupage dynamique par impulsion, un temps de cohérence de spin supérieur à 1 μs a été atteint, révélant un mécanisme de protection dans les environnements de déphasage.
3. Fort contraste ODMR: Le signal ODMR a montré un contraste élevé proche de 50%, conférant une grande sensibilité dans les applications pratiques.
4. Potentiel de détection quantique nanométrique: La distance maximale des défauts identifiés par rapport à la surface est de 15 nm, démontrant un potentiel prometteur en tant que capteurs nanométriques.

Directions futures de recherche

Les recherches futures devraient se concentrer sur l’optimisation de la qualité optique des défauts, en intégrant des systèmes de photonique quantique et en intégrant les défauts hBN dans des nanostructures pour un déploiement à grande échelle dans les réseaux quantiques et les capteurs. En outre, explorer et analyser la structure chimique et la dynamique des états de charge du défaut en triplet de spin basé sur le carbone aiderait à améliorer davantage la performance et les perspectives d’application du système.

Cette recherche ouvre une nouvelle direction dans le domaine des technologies quantiques, fournissant une plateforme matérielle capable de maintenir la cohérence quantique à température ambiante et à champ nul, en vue de réaliser des réseaux quantiques à grande échelle et des capteurs quantiques ultrasensibles.