Les résonateurs acoustiques, que l’on trouve dans des appareils tels que les smartphones et les systèmes Wi-Fi, se dégradent avec le temps sans qu’il soit possible de surveiller facilement cette dégradation. Des chercheurs de Harvard SEAS et de l’Université Purdue ont développé une méthode utilisant les lacunes atomiques dans le carbure de silicium pour mesurer la stabilité de ces résonateurs et même manipuler les états quantiques, ce qui pourrait potentiellement bénéficier aux accéléromètres, aux gyroscopes, aux horloges et aux réseaux quantiques.
L’utilisation d’ondes sonores pour contrôler les lacunes atomiques pourrait améliorer les technologies de communication et fournir de nouveaux mécanismes de contrôle pour l’informatique quantique.
Les résonateurs acoustiques sont partout. En fait, il y a de fortes chances que vous en teniez un dans votre main en ce moment. Aujourd’hui, la plupart des smartphones utilisent des résonateurs acoustiques en vrac comme filtres radiofréquences pour filtrer les bruits susceptibles de dégrader un signal. Ces filtres sont également utilisés dans la plupart des réseaux Wi-Fi et GPS systèmes.
Les résonateurs acoustiques sont plus stables que leurs homologues électriques, mais ils peuvent se dégrader avec le temps. Il n’existe actuellement aucun moyen simple de surveiller et d’analyser activement la dégradation de la qualité des matériaux de ces appareils largement utilisés.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des chercheurs du laboratoire OxideMEMS de l’Université Purdue, ont développé un système qui utilise les lacunes atomiques dans le carbure de silicium pour mesurer la stabilité et la qualité de résonateurs acoustiques. De plus, ces postes vacants pourraient également être utilisés pour le traitement de l’information quantique à contrôle acoustique, offrant ainsi une nouvelle façon de manipuler les états quantiques intégrés dans ce matériau couramment utilisé.
« Le carbure de silicium, qui héberge à la fois les rapporteurs quantiques et la sonde à résonateur acoustique, est un semi-conducteur commercial facilement disponible qui peut être utilisé à température ambiante », a déclaré Evelyn Hu, professeur Tarr-Coyne de physique appliquée et de génie électrique. et professeur d’arts et de sciences Robin Li et Melissa Ma et auteur principal de l’article. « En tant que sonde à résonateur acoustique, cette technique en carbure de silicium pourrait être utilisée pour surveiller les performances des accéléromètres, des gyroscopes et des horloges au cours de leur durée de vie et, dans un schéma quantique, présente un potentiel pour les mémoires quantiques hybrides et les réseaux quantiques. »
La recherche a été publiée dans Électronique naturelle.
Un regard à l’intérieur des résonateurs acoustiques
Le carbure de silicium est un matériau courant pour les systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui comprennent les résonateurs acoustiques en vrac.
« Les résonateurs en carbure de silicium pouvant être fabriqués à l’échelle d’une tranche, en particulier, sont connus pour avoir les meilleures performances de leur catégorie en termes de facteur de qualité », a déclaré Sunil Bhave., professeur à l’Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering à Purdue et co-auteur de l’article. « Mais les défauts de croissance cristalline tels que les dislocations et les joints de grains, ainsi que les défauts de fabrication du résonateur tels que la rugosité, les contraintes d’attache et les cratères à micro-échelle, peuvent provoquer des régions de concentrations de contraintes à l’intérieur du résonateur MEMS.
Aujourd’hui, la seule façon de voir ce qui se passe à l’intérieur d’un résonateur acoustique sans le détruire est d’utiliser des rayons X super puissants et très coûteux, comme le faisceau de rayons X à large spectre du laboratoire national d’Argonne.
Une couche piézoélectrique (verte) prise en sandwich entre deux électrodes (jaune) au sommet d’un résonateur acoustique en carbure de silicium (bleu). Les ondes acoustiques générées par les électrodes et la couche piézoélectrique exercent une contrainte mécanique sur le réseau, ce qui inverse la rotation du défaut (rouge). Le spin est lu avec une focalisation laser sur l’arrière du résonateur. Crédit : Groupe Hu/Harvard SEAS
« Ces types de machines coûteuses et difficiles d’accès ne peuvent pas être déployées pour effectuer des mesures ou une caractérisation dans une fonderie ou dans un endroit où vous fabriqueriez ou déploieriez réellement ces appareils », a déclaré Jonathan Dietz, étudiant diplômé à SEAS et co-premier auteur du papier. « Notre motivation était d’essayer de développer une approche qui nous permettrait de surveiller l’énergie acoustique à l’intérieur d’un résonateur acoustique en vrac afin que vous puissiez ensuite prendre ces résultats et les réintégrer dans le processus de conception et de fabrication. »
Le carbure de silicium présente généralement des défauts naturels dans lesquels un atome est retiré du réseau cristallin, créant un état électronique spatialement local dont le spin peut interagir avec les ondes sonores via une contrainte matérielle, telle que la contrainte générée par un résonateur acoustique.
Lorsque les ondes acoustiques traversent le matériau, elles exercent une contrainte mécanique sur le réseau, ce qui peut inverser la rotation du défaut. Les changements dans l’état de spin peuvent être observés en projetant un laser à travers le matériau pour voir combien de défauts sont « activés » ou « désactivés » après les avoir perturbés.
« La luminosité ou la luminosité de la lumière indique la force de l’énergie acoustique dans l’environnement local où se trouve le défaut », a déclaré Aaron Day, étudiant diplômé de SEAS et co-auteur de l’article. « Comme ces défauts ont la taille d’atomes uniques, les informations qu’ils vous fournissent sont très locales et, par conséquent, vous pouvez réellement cartographier les ondes acoustiques à l’intérieur de l’appareil de cette manière non destructive. »
Cette carte peut indiquer où et comment le système peut se dégrader ou ne pas fonctionner de manière optimale.
Contrôle acoustique
Ces mêmes défauts du carbure de silicium peuvent également être des qubits dans un système quantique.
Aujourd’hui, de nombreuses technologies quantiques s’appuient sur la cohérence des spins : combien de temps les spins resteront dans un état particulier. Cette cohérence est souvent contrôlée par un champ magnétique.
Mais avec leur technique, Hu et son équipe ont démontré qu’ils pouvaient contrôler la rotation en déformant mécaniquement le matériau avec des ondes acoustiques, obtenant ainsi une qualité de contrôle similaire à d’autres approches utilisant des champs magnétiques alternatifs.
« Utiliser les propriétés mécaniques naturelles d’un matériau – sa déformation – élargit la gamme de contrôle des matériaux dont nous disposons », a déclaré Hu. « Lorsque nous déformons le matériau, nous constatons que nous pouvons également contrôler la cohérence du spin et que nous pouvons obtenir cette information simplement en lançant une onde acoustique à travers le matériau. Cela fournit une nouvelle approche importante d’une propriété intrinsèque d’un matériau que nous pouvons utiliser pour contrôler l’état quantique intégré dans ce matériau.
La recherche a été co-écrite par Boyang Jiang. Il a été soutenu par la National Science Foundation dans le cadre du prix RAISE-TAQS 1839164 et de la subvention DMR-1231319.
