Institut des
NanoSciences de Paris
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Qubits dans le carbure du Silicium

(J.L. Cantin, B. Eble, S. Hameau, F. Margaillan, J. von Bardeleben)

Le traitement quantique de l’information repose sur la superposition et l’intrication d’états d’un quantum bit ou qubit.

Il a été montré récemment que Certains défauts ponctuels dans les solides peuvent constituer de tels qubits. En effet, En raison de la réorganisation du cortège électronique dans leur environnement, ces défauts possèdent en général un moment magnétique électronique (spin) non nul. Ce spin est quantifié et Son état peut être manipulé optiquement par exemple. Ceci a déjà été réalisé avec succès dans le cas particulier d’un défaut du diamant appelé centre NV. Ce défaut possède un spin S=1 qui peut être manipulé au moyen d’impulsions micro-ondes et lu optiquement car il présente une luminescence parfaitement stable à température ambiante et constitue donc une source pratique de photon unique pour les applications de cryptographie quantique par exemple.

A l’INSP, nous avons sommes parvenus à identifier identifié un défaut similaire dans le carbure de silicium (SiC), un semiconducteur qui, au contraire du diamant, est maitrisé par l’industrie microélectronique et mature pour les applications envisagées. Ce défaut est également nommé ‘centre NV’ car il est composé d’une lacune de silicium (Vacancy en anglais) associée à un atome d’azote (l’azote étant un dopant du SiC). Autre avantage décisif, le SiC cristallise dans différentes structures au sein desquelles le centre NV adopte plusieurs configurations, toutes spectralement distinctes. Il devient donc possible d’adresser sélectivement un sous ensemble de qubits au sein d’un même cristal. Nous avons pu déterminer par résonance paramagnétique électronique (RPE) sous excitation optique les propriétés magnéto-optique de chacune des configurations dans plusieurs polytypes de SiC et les résultats expérimentaux ont été confrontés à des calculs théoriques réalisés en collaboration avec l’université de Paderborn (Allemagne) afin d’établir la structure atomistique, Des études avancées des propriétés optiques de ces défauts sont actuellement en cours à l’INSP, en particulier des expériences de photo-luminescence dans l’infra-rouge 1µm-1,5µm (bande Telecom). L’objectif à court terme est la détection optique de la résonance magnétique (ODMR) qui permettra de valider la pertinence d’autres défauts du SiC à des fins d’applications en traitement quantique de l’information

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En rouge : représentation de la densité de spin électronique (électron paramagnétique) autour du centre NV dans le 4H-SiC (vue selon l’axe c ([0001]) du cristal).

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(a) : Spectre RPE obtenu à 4K en bande X sous excitation laser à 2.4eV.

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(b) : diagramme d’énergie représentant les sous niveaux Zeeman du défaut NV (S=1) en fonction du champ magnétique appliqué.

Publications sur le sujet

• High-resolution resonant excitation of NV centers in 6H-SiC : A matrix for quantum technology applications Khazen, K. ; von Bardeleben, H.J. ; Zargaleh, S.A. ; Cantin, J.L. ; Zhao, M. ; Gao, W.B. ; Biktagirov, T. ; Gerstmann, U. Physical Review B 100 p205202 (2019) • Electron paramagnetic resonance tagged high-resolution excitation spectroscopy of NV-centers in 4H-SiC Zargaleh, S.A. ; von Bardeleben, H.J. ; Cantin, J.L. ; Gerstmann, U. ; Hameau, S. ; Eble, B. ; Gao, W.B. Physical Review B 99 p214113 (2018) • Nitrogen vacancy center in cubic silicon carbide : A promising qubit in the 1.5 mu m spectral range for photonic quantum networks Zargaleh, S.A. ; Hameau, S. ; Eble, B. ; Margaillan, F. ; von Bardeleben, H.J. ; Cantin, J.L. ; Gao, W.B. Physical Review B 98 p165203 (2018) • Characterization and formation of NV centers in 3C, 4H, and 6H SiC : An ab initio study Csore, A. ; von Bardeleben, H. J. ; Cantin, J. L ; Gali, A. Physical Review B 96 p085204 (2017) • NV centers in 3C, 4H, and 6H silicon carbide : A variable platform for solid-state qubits and nanosensors von Bardeleben, H. J. ; Cantin, J. L. ; Csore, A. ; Gali, A. ; Rauls, E. ; Gerstmann, U. Physical Review B 94 p121202 (2016) • Evidence for near-infrared photoluminescence of nitrogen vacancy centers in 4H-SiC Zargaleh, S.A. ; Eble, B. ; Hameau, S. ; et al. Physical Review B 94 p060102 (2016) • Identification and magneto-optical properties of the NV center in 4H-SiC von Bardeleben, H. J. ; Cantin, J. L. ; Rauls, E. ; et al. Physical Review B 92 p064104 (2015)

Collaborations

- Lehrstuhl für Theoretische Physik, Universität Paderborn, Germany
- The Photonics Institute and Centre for Disruptive Photonic Technologies, Nanyang Technological University (NTU), Singapore

Financements

- Projet MERLION avec NTU Singapore (2016-2018)