Des films minces pour les technologies quantiques

Les technologies quantiques cherchent à exploiter les propriétés exotiques de certains matériaux pour révolutionner le traitement de l’information et les communications. Parmi ceux-ci, les matériaux dopés avec des ions de terres rares, tels que l’europium, sont particulièrement prometteurs pour stocker et manipuler des états quantiques. Toutefois, pour être intégrés dans des dispositifs miniaturisés, ces ions doivent être préférablement introduits dans des films minces de haute qualité, compatibles avec les circuits photoniques en silicium.

Dans ce contexte, des chercheurs de l’Institut de recherche de chimie de Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL Université) ont mis au point une nouvelle méthode de fabrication de couches minces de terres rares basée sur la combinaison de deux techniques avancées de dépôt : le dépôt chimique en phase vapeur ou chemical vapor deposition (CVD) et l'épitaxie par jet moléculaire ou molecular beam epitaxy (MBE). 

Cette approche hybride leur a permis de fabriquer sur un substrat de silicium des couches actives d’un oxyde de terres rares, plus précisément l’oxyde d’yttrium dopé avec des ions d’europium Eu³⁺, aux propriétés structurelles et quantiques remarquables. Cette amélioration est principalement attribuée à l’introduction d’une couche intermédiaire d’oxyde de gadolinium, Gd₂O₃, localisée entre la couche active et le substrat. 

Le potentiel de cette nouvelle structure multicouche pour les technologies quantiques a pu être ensuite confirmé par des études de spectroscopie optique à basse température, révélant une durée de vie des états quantiques optiques de l’ordre de la microseconde pour l’Eu³⁺, soit dix fois mieux que les précédents films du même matériau, et à l’état de l’art des films minces actuellement développés pour les technologies quantiques. La durée de vie des états quantiques est en effet un des critères clés pour juger de la qualité du matériau pour ces applications. Elle est mesurée en préparant des états quantiques sous forme d’impulsions lumineuses absorbées par le film et réémises. La durée de vie des états quantiques de l’Eu³⁺ dans le film est donnée par le temps caractéristique pendant lequel l’impulsion réémise permet de récupérer l’information de l’impulsion incidente. 

Ce progrès crucial ouvre des perspectives prometteuses pour le développement de dispositifs quantiques évolutifs et compacts contenant des ions terres rares pour des applications comme le stockage ou la transmission d’informations sous forme de qubits optiques. De plus, ces nouveaux films épitaxiés sur silicium pourraient faciliter le développement de circuits quantiques intégrés et ouvrir la voie à des applications plus larges en photonique quantique. Les scientifiques espèrent désormais étendre leur méthode à d’autres ions de terres rares, comme l’erbium, dont la transition optique est directement compatible avec les télécommunications et avec les systèmes photoniques en silicium. À terme, ces progrès pourraient rapprocher un peu plus l’informatique quantique de la réalité industrielle. Une avancée à retrouver dans la revue Nanophotonics.

Rédacteur : AVR