Des puces informatiques aux points quantiques – les plates-formes téléchnologiques n'ont été rendues possibles que grâce à une compréhension détaillée des matériaux à l'état solide utilisés, tels que le silicium ou les matériaux semi-conducteurs plus complexes. Cette compréhension comprend également la possibilité d'identifier et de contrôler les irrégularités dans le réseau cristallin de ces matériaux.
Si, par exemple, un atome manque dans la structure du réseau des cristaux, un seul électron et donc une charge électrique peut y être piégé. Ces pièges à charge génèrent un bruit électromagnétique qui limite la fonctionnalité de ces matériaux. Cependant, il est extrêmement difficile de localiser ces pièges à charge sur une échelle atomique.
Des chercheurs du groupe « intégré quantique photonique » du Département de physique de Humboldt-Universität Zu Berlin (HU) et de « Joint Lab Diamond Nanophotonics » au Ferdinand-Braun-institut, dirigé par le professeur Tim Schröder, ont développé un nouveau capteur qui peut détecter de telles charges électriques individuelles plus précision que jamais auparavant.
Pour y parvenir, ils se sont appuyés sur un défaut dans le réseau cristallin – deux postes vacants combinées à un atome étranger, qui sont également appelées centres de couleur en raison de leur capacité à absorber et à émettre de la lumière. Il est déjà connu que ces centres de couleurs optiquement actifs peuvent être utilisés comme capteurs pour obtenir des informations sur les propriétés des matériaux; Cependant, le capteur nouvellement développé permet de détecter les charges électriques individuelles plus précisément.
Les chercheurs ont intégré un centre de couleurs dans un matériau rectangulaire en diamant artificiel. L'observation des moindres changements dans la couleur de la lumière émise par le centre de couleur dans le diamant artificiel est le principal mécanisme pour localiser les pièges à charge des électrons individuels. Le centre de couleur est caractérisé par une sensibilité spécifique aux champs électriques.
Si une seule charge est capturée près du capteur, les changements de couleur sont clairement visibles; Mais si les charges ne sont qu'un peu plus loin, elles ne provoquent presque aucun changement. Cela permet une détermination extrêmement précise des défauts individuels. De plus, la méthode permet une surveillance en temps réel des charges en répétant la mesure à intervalles réguliers jusqu'à un millionème de seconde.
Application de brevet: outil pour les chercheurs en science des matériaux à l'âge quantique
Les chercheurs ont récemment publié leur étude dans la revue Communications de la naturedémontrant les propriétés du capteur. Ils ont également demandé un brevet en Allemagne et aux États-Unis pour la méthode et l'appareil pour localiser les pièges à charge dans un réseau cristallin.
« Cet appareil est un nouvel outil pour les chercheurs en science des matériaux. Il fait des processus physiques, que nous n'avons pas pu observer, visibles et nous aide à les comprendre. C'est parce que nous pouvons désormais localiser l'interaction des charges avec des défauts cristallins beaucoup plus précisément et peut également l'enregistrer beaucoup plus rapidement qu'auparavant », explique le Dr Gregor Pieplow, qui a développé la base logicielle et méthodologique pour le capteur.
« Le potentiel du capteur va bien au-delà », ajoute Cem Güney Torun, qui a travaillé sur la conception et la configuration de l'expérience. « L'intégration des centres de couleurs dans des pointes de diamant microscopiques permettra d'analyser une grande variété de matériaux et de réaliser un capteur de balayage véritablement atomique, résolue et rapide. »
