Le diamant est depuis longtemps le matériau privilégié pour la détection quantique, mais sa taille limite ses applications. Des recherches récentes mettent en évidence le potentiel de remplacement du hBN, en particulier après que les chercheurs du TMOS ont développé des méthodes pour stabiliser ses défauts atomiques et étudier ses états de charge, ouvrant ainsi la porte à son intégration dans des dispositifs où le diamant ne peut pas s’adapter.
Le diamant détient depuis longtemps la couronne dans le domaine de la détection quantique, grâce à ses centres cohérents de lacunes d’azote, sa rotation réglable, sa sensibilité au champ magnétique et sa capacité à fonctionner 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.
Cependant, ce titan du domaine quantique présente une vulnérabilité. C’est tout simplement trop grand. Tout comme un secondeur de la NFL n’est pas le premier choix pour un jockey dans le Kentucky Derby, le diamant ne parvient pas à se plonger dans les capteurs quantiques et le traitement des données. 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 un diamant devient inutile.
Entrez hBN.
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 qui s’annoncent comme des concurrents incontournables pour les centres de recherche d’azote de Diamond. Parmi ceux-ci, le centre de vacance du bore (un seul manquant atome dans le réseau cristallin hBN) s’est révélée être la plus prometteuse à ce jour.
Mise en place expérimentale au TMOS pour étudier les défauts de lacune en bore dans le hBN. Crédit : TMOS, le Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs
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 le souligne un article publié dans Lettres nanodes chercheurs du TMOS, le Centre d’excellence de l’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 du hBN en utilisant une excitation optique et une irradiation simultanée par faisceau d’électrons.
Les auteurs principaux Angus Gale et Dominic Scognamiglio dans leur laboratoire de recherche. Crédit : TMOS, Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs
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 entraîne 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 essentiel pour les contrôler. La gestion thermique est actuellement l’un des facteurs limitant l’amélioration des performances des appareils miniaturisés. Détection quantique précise au à l’échelle nanométrique aidera à prévenir la surchauffe des micropuces et à améliorer les performances et la fiabilité.
La détection quantique a également des applications significatives dans le domaine MedTech, où sa capacité à détecter des nanoparticules et des molécules magnétiques pourrait un jour être utilisée comme outil de diagnostic injectable pour rechercher des cellules cancéreuses, ou bien surveiller les processus métaboliques dans les cellules pour suivre l’impact de des traitements médicaux.
Afin d’étudier les défauts de lacune en bore dans le hBN, l’équipe TMOS a créé une nouvelle configuration expérimentale intégrant un microscope photoluminescent confocal avec un microscope électronique à balayage (MEB). Cela leur a permis de manipuler simultanément les états de charge des défauts de lacune du bore avec le faisceau d’électrons et les microcircuits électroniques, tout en mesurant le défaut.
Gale déclare : « L’approche est nouvelle dans la mesure où elle nous permet de focaliser le laser sur et d’imager des défauts individuels dans le hBN, pendant qu’ils sont manipulés à l’aide de circuits électroniques et d’un faisceau d’électrons. Cette modification du microscope est unique ; cela a été incroyablement utile et a considérablement rationalisé notre flux de travail.
L’étude a été financée par le Conseil australien de la recherche.
