Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts – Qubits pour l’information quantique

• Membres permanents : Jean-Louis Cantin, Ian Vickridge, Emrick Briand, Sébastien Steydli
• Chercheur émérite : Jurgen von Bardeleben

Qubits de spin semiconducteurs ou moléculaires pour les technologies quantiques de l’information

Depuis plusieurs années, nous étudions les propriétés opto-magnétiques des défauts ponctuels du carbure de silicium avec pour objectif de les utiliser comme bit quantique pour l’informatique quantique. En 2015, nous avons identifié en particulier un défaut, appelé centre NV et formé par un atome d’azote (impureté du SiC) et une lacune de silicium.

Légende : Centre NV du SiC. Ce défaut est formé par une lacune de Si et d’un atome d’azote sur site C.

Ce défaut possède un spin électronique S=1 comme le centre NV du diamant, très étudié depuis une dizaine d’années pour cette même application. Mais le diamant souffre de débouchés limités en raison de son cout de fabrication élevé et de difficultés à le doper, notamment de type p. Ces deux difficultés sont levées par le SiC qui est aujourd’hui bien maitrisé par l’industrie microélectronique pour des applications en électronique de puissance et haute fréquence. Des expériences de résonance de spin électronique sous photo excitation optique in situ ont permis de déterminer la signature magnéto optique des centres NV sur les différents sites cristallographiques des polytypes 6H, 4H et 3C du SiC.

Photo-EPR: excitation optique in situ pour révéler les défauts. © INSP

Les études des propriétés optiques du centre NV dans le SiC sont actuellement en cours afin de réaliser la détection optique de la résonance magnétique (ODMR) et d’établir la possibilité de la manipulation optique de son spin électronique. Ces études sont poursuivies à l’INSP grâce à une collaboration avec S. Hameau et B. Eble de l’équipe ‘ Nanostructures : élaboration, effets quantiques et magnétisme’ et en partenariat avec l’équipe de W. Gao de la Nanyang Technological University (NTU Singapore) dans le cadre d’une collaboration initiée grâce à un projet Hubert Curien (PHC Merlion) obtenu fin 2016.

Parallèlement, plusieurs collaborations avec des chimistes de l’Institut Parisien de Chimie Moléculaire ont engendré une extension de ces études vers des systèmes moléculaires magnétiques commutables par voie optique ou chimique, certains étant greffés sur des surfaces ou des nanoparticules de semiconducteur. Ces travaux ont été financés par trois projets ANR. Ils sont poursuivis actuellement dans le cadre du projet ANR Magden visant à former des dendrimères magnétiques aux propriétés magnétiques définies en vue de constituer des Qubits. Cette approche ‘bottom-up’ est un projet financé par l’ANR – MAGDEN [2024-2028]: Dendrimères magnétiques. https://anr.fr/Projet-ANR-24-CE07-5072

Collaborations externes

• W. Gao – Nanyang Technological University (NTU Singapore)
• U. Gertsmann, Univ of Paderborn (Allemagne)
• V. Marvaud, G. Vives, S. Blanchard, Institut Parisien de Chimie Moléculaire (Sorbonne Université)

Publications

• H.J. von Bardeleben, J.L. Cantin, U. Gerstmann, W.G. Schmidt, T. Biktagirov, Spin Polarization, Electron-Phonon Coupling and Zero-Phonon Line of the NV Center in 3C-SiC
  Nanoletters 21, 8119 (2021)
• B. Doistau, L. Benda, JL. Cantin, O. Cador, F. Pointillart, W. Wernsdorfer, L.M. Chamoreau, V. Marvaud, B. Hasenknopf, G. Vives, Dual switchable molecular tweezers incorporating anisotropic Mn-salphen complexes
  DALTON TRANSACTIONS 49 (26) p8872 (2020)
• H. J. von Bardeleben, S. A. Zargaleh, J. L. Cantin, W. B. Gao, T. Biktagirov, and U. Gerstmann,Transition metal qubits in 4H-silicon carbide: A correlated EPR and DFT study of the spin S=1 vanadium V3+ center
  Physical Review Materials 3, 124605 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.124605
• Kh. Khazen, H. J. von Bardeleben, S. A. Zargaleh, J. L. Cantin, Mu Zhao, Weibo Gao, T. Biktagirov, and U. Gerstmann. High-resolution resonant excitation of NV centers in 6H−SiC: A matrix for quantum technology applications.
  Physical Review B 100, 205202 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.205202
• S. Zargaleh, H. von Bardeleben, J. Cantin, U. Gerstmann, S. Hameau, et al.. Electron paramagnetic resonance tagged High Resolution Excitation Spectroscopy of NV-Centers in 4H-SiC.
  Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2018, 98 (21), pp.214113. ⟨10.1103/PhysRevB.98.214113⟩. ⟨hal-02298324⟩
• S. Zargaleh, Sophie Hameau, Benoit Eble, F. Margaillan, Hans Jürgen von Bardeleben, et al.. Nitrogen vacancy center in cubic silicon carbide: A promising qubit in the 1.5μm spectral range for photonic quantum networks.
  Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2018. ⟨hal-01902627⟩
• H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, A. Csóré, A. Gali, E. Rauls, et al.. NV centers in 3 C , 4 H , and 6 H silicon carbide: A variable platform for solid-state qubits and nanosensors.
  Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2016, 94 (12), pp.121202(R) ⟨10.1103/PhysRevB.94.121202⟩. ⟨hal-01524178⟩
• S. Zargaleh, B. Eble, S. Hameau, J-L. Cantin, L. Legrand, et al.. Evidence for near-infrared photoluminescence of nitrogen vacancy centers in 4 H -SiC.
  Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2016, 94 (6), pp.060102(R). ⟨10.1103/PhysRevB.94.060102⟩. ⟨hal-01524179⟩
• H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, E. Rauls, U. Gerstmann. Identification and magneto-optical properties of the NV center in 4 H − SiC.
  Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2015, 92 (6), pp.064104. ⟨10.1103/PhysRevB.92.064104⟩. ⟨hal-01523482⟩