Les défauts quantiques sont de minuscules imperfections dans les réseaux cristallins solides qui peuvent piéger des électrons individuels et leur « spin » (c'est-à-dire le moment cinétique interne des particules). Ces défauts sont essentiels au fonctionnement de diverses technologies quantiques, notamment les capteurs quantiques, les ordinateurs et les systèmes de communication.
Prédire et contrôler de manière fiable le comportement des défauts quantiques est donc très important, car cela pourrait ouvrir la voie au développement de systèmes quantiques plus performants et adaptés à des applications spécifiques. Une propriété étroitement liée à la fiabilité des technologies quantiques est ce que l’on appelle le contraste de lecture de spin, qui détermine essentiellement la clarté avec laquelle il est possible de distinguer deux états de spin différents dans un système.
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin (Shenzhen), du Centre de recherche en physique HUN-REN Wigner, de l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai, de l'Académie chinoise des sciences et d'autres instituts ont récemment montré que l'ingénierie des contraintes (c'est-à-dire l'étirement ou la compression des matériaux) pouvait être utilisée pour contrôler le comportement des défauts quantiques et améliorer le contraste de lecture de spin dans les systèmes quantiques.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la réalisation de dispositifs sophistiqués de biodétection quantique et d’autres technologies quantiques avancées.
« Notre article a été inspiré par le défi consistant à obtenir une lecture fiable du spin dans les systèmes à défauts quantiques à l'état solide, en particulier à température ambiante », ont déclaré à Issues.fr Adam Gali, Qinghai Song et Yu Zhou, co-auteurs principaux de l'article.
« Nous visions à montrer que la contrainte pourrait être un paramètre de contrôle potentiel pour améliorer considérablement le contraste de lecture des défauts à l'état solide à spin élevé, ce qui est crucial pour faire progresser les technologies quantiques, par exemple pour développer des capteurs quantiques efficaces fonctionnant dans des conditions ambiantes. »
Dans un premier temps, une équipe de physiciens théoriciens dirigée par le professeur Adam Gali du centre de recherche HUN-REN Wigner a développé un nouveau cadre. Ce cadre décrit la relation entre le contraste de lecture de spin d'un système et la structure électronique des défauts à spin élevé.
« Nous avons ensuite utilisé des fonctions d'onde ab initio pour calculer les quantités pertinentes et quantifier le contraste », a expliqué Gali.
« Nous avons émis l'hypothèse que des champs de déformation spécifiques pouvaient ajuster ces quantités, permettant ainsi de contrôler le contraste de lecture. En nous appuyant sur nos travaux théoriques précédents, nous avons testé cette hypothèse et découvert un effet significatif induit par la déformation. »
S'appuyant sur les travaux théoriques de Gali et de ses collègues, un autre groupe de recherche de l'Institut de technologie de Harbin, dirigé par le professeur Qinghai Song, a réalisé des expériences visant à évaluer le potentiel de l'ingénierie des contraintes pour contrôler le contraste de lecture de spin.
Dans le cadre de ces expériences, l’équipe a utilisé la contrainte existante dans les membranes en carbure de silicium et a mesuré les propriétés de spin de défauts individuels.
« Nos expériences ont confirmé les simulations, démontrant un contraste de lecture considérablement amélioré, ce qui signifie que nous pouvons distinguer plus efficacement les différents états de spin », a déclaré Song.
« Notre découverte la plus importante est que l'ingénierie des contraintes est un moyen puissant et pratique d'augmenter le contraste de lecture de spin des défauts quantiques, atteignant plus de 60 % à température ambiante. »
Ce travail de Gali, Song et leurs collègues démontre qu'une ingénierie minutieuse de la contrainte appliquée aux systèmes quantiques peut améliorer considérablement la capacité à distinguer les états de spin distincts en leur sein. Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont montré que l’ingénierie des contraintes peut améliorer considérablement la sensibilité des capteurs quantiques.
D’autres équipes de recherche pourraient bientôt s’inspirer de cet article et élaborer d’autres stratégies basées sur l’ingénierie des contraintes pour contrôler avec précision les défauts quantiques. Pendant ce temps, Gali, Song et leurs collègues prévoient de continuer à améliorer leur approche et d’évaluer son potentiel pour améliorer les performances d’autres dispositifs quantiques.
« Nos projets futurs incluent la recherche de méthodes plus précises pour contrôler la déformation et la réalisation d'une caractérisation plus précise de la physique sous-jacente des interactions déformation-spin », a ajouté Song.
« Nous visons également à étendre l'ingénierie des contraintes à d'autres systèmes de défauts quantiques et à intégrer ces matériaux contraints dans des circuits quantiques avancés. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
