Bientôt du quantique dans nos fibres optiques ?

Publié par Redbran le 04/02/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Le silicium employé dans les composants électroniques comporte des imperfections cristallines qui peuvent se révéler utiles dans le domaine des technologies quantiques. Pour la première fois, des défauts luminescents y ont été observés à l'échelle individuelle avec, de plus, une émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) dans la gamme des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...) par fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de...). Ces émetteurs apparaissent comme des candidats prometteurs pour concevoir des composants pour la photonique quantique intégrée du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) et les communications quantiques.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) semiconducteurs, et en particulier le silicium, jouent un rôle crucial dans le développement de la microélectronique. Leur structure cristalline présente parfois des défauts capables de confiner les charges électriques en un point (Graphie) précis, leur conférant des propriétés quantiques. Ces défauts peuvent alors se comporter comme des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) artificiels, émettant chacun des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) un par un quand ils sont excités par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...). Cette émission de photons uniques ne peut cependant être observée que si ces émetteurs sont isolés à l'échelle individuelle. Jusqu'ici, les défauts individuels détectés par voie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) provenaient uniquement de semiconducteurs à large bande interdite: diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...), carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une...) ou encore nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) hexagonal.

Extrêmement prisé pour concevoir des composants électroniques et photoniques, le silicium présente une bande interdite jugée auparavant trop faible pour héberger des défauts suffisamment brillants pour être détectables de façon individuelle. Des chercheurs et chercheuses du Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS/Université de Montpellier), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) matériaux microélectronique nanosciences de Provence (IM2NP, CNRS/Aix-Marseille Université), de l'Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/École Centrale de Lyon/Univ. Claude Bernard/INSA Lyon/CPE Lyon), de l'Institut de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de Grenoble (IRIG, CEA/Université Grenoble Alpes), ainsi que des universités de Leipzig (Allemagne) et d'Oslo (Norvège), ont cependant isolé les premiers défauts fluorescents individuels dans le silicium. La luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...) de ces atomes artificiels est de plus comprise dans la gamme de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) des télécommunications, compatible avec des grandes distances de propagations dans des fibres optiques.


Fig. 1: Un scan optique de l'échantillon de silicium-sur-isolant (SOI) implanté carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...). Les points chauds de photoluminescence isolées correspondent à des défauts fluorescents individuels, générant des photons uniques aux longueurs d'onde télécom.
Crédit: 2020, W. Redjem et al.

Pour y parvenir, les scientifiques ont créé des défauts ponctuels dans un échantillon ultrapur de silicium sur isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....), grâce à un procédé d'implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) carbone suivi par un recuit rapide de la matrice. Un microscope confocal à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) (10 K) a été optimisé pour isoler et détecter le faible signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) provenant d'émetteurs individuels de lumière dans le proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...). Les scans optiques de l'échantillon permettent de repérer des points chauds de photoluminescence, associés à des défauts individuels émettant aux longueurs d'ondes télécom. L'émission de photons uniques est vérifiée en analysant leur lumière au moyen d'outils issus de l'optique quantique.

Incorporés dans des puces photoniques silicium, ces défauts pourraient apporter de nouvelles fonctionnalités pour la photonique quantique intégrée, en utilisant leurs photons uniques comme support d'information. Les chercheurs vont à présent poursuivre leurs expériences en ajoutant de l'excitation magnétique, afin d'essayer de contrôler l'état de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) de ces atomes artificiels dans le but d'obtenir un stockage quantique de l'information. L'objectif à plus long terme serait de développer dans le silicium des mémoires quantiques interfacées avec des photons uniques télécom. Une telle réalisation pourrait ouvrir de nombreuses perspectives pour le potentiel déploiement de réseaux de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) quantique.

Référence:
Single artificial atoms in silicon emitting at telecom (En France, voir http://www.arcep.fr/index.php?id=interactivenumeros sur le site de l'ARCEP...) wavelengths.
W. Redjem, A. Durand, T. Herzig, A. Benali, S. Pezzagna, J. Meijer, A. Yu. Kuznetsov, H. S. Nguyen, S. Cueff, J.-M. Gérard, I. Robert-Philip, B. Gil, D. Caliste, P. Pochet, M. Abbarchi, V. Jacques, A. Dréau et G. Cassabois, Nature Electronics, le 23 novembre 2020.
DOI: 10.1038/s41928-020-00499-0
Article disponible sur la base d'archives ouverte arXiv

Contacts:
- Anaïs Dréau - chargée de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Laboratoire Charles Coulomb - anais.dreau at umontpellier.fr
- Communication INP - inp.com at cnrs.fr
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