Des nanocristaux dopés par des ions de terres rares pour les technologies quantiques

30 janvier 2017

Résultats scientifiques Matériaux Information et communication

Sollicitant la science de l’infiniment petit où un électron peut connaître deux états à la fois, les technologies quantiques ouvrent sur des applications très attendues : ordinateur quantique, sécurisation des communications, capteurs ultra-sensibles. Des promesses qui reposent sur des facteurs clefs comme l’augmentation de la durée de vie des états quantiques, équivalente à une diminution des largeurs des transitions entre ces états. Des matériaux combinant faible largeur de transition optique et dimensions nanométriques pourraient servir d’interfaces entre la lumière, vecteur de choix de l’information quantique, et des processeurs ou des capteurs quantiques. Dans cette quête, les chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS/ParisTech) proposent des solutions du côté de cristaux nanostructurés dopés par des ions de terres rares. Ils ont étudié par spectroscopie optique à très haute résolution des nanocristaux d’oxyde d’yttrium dopés par des ions europium. Leurs résultats parus dans Nano Letters suggèrent que des largeurs très étroites - 10 kHz - sont possibles dans des cristaux de 100 nm, une valeur comparable à celles des matériaux massifs. Ceci ouvre la voie à de nouvelles interfaces quantiques optiques.

Les technologies quantiques proposent des avancées comme la cryptographie quantique qui permet un haut niveau de sécurisation des communications à distance. Les capteurs également, tels que les magnétomètres, les gravimètres ou les horloges à atomes froids, montrent des performances qui surpassent les technologies classiques. Mais pour répondre aux exigences de nombreuses applications, des systèmes pouvant être interfacés à la fois avec la lumière et d’autres systèmes quantiques, comme des spins, des nano-résonateurs mécaniques ou encore des matériaux 2D, sont nécessaires. Les cristaux nanométriques dopés par des ions terres rares semblent être d’excellents candidats pour remplir ces fonctionnalités.

En effet, ces matériaux, à l’état massif, présentent des largeurs de transitions optiques extrêmement étroites, ce qui correspond à une grande durée de vie des états quantiques. Un cas de figure unique à l’état solide ! Les cristaux dopés par des ions terres rares sont de ce fait activement étudiés pour diverses technologies quantiques, comme le stockage de la lumière.

A l’échelle nanométrique, les interactions entre les terres rares et leur environnement sont renforcées, ce qui ouvre la voie à des fonctions d’interface quantique. Pour que ceci soit utile, il est cependant impératif que les transitions optiques restent suffisamment étroites.

Des chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris ont étudié par spectroscopie optique à très haute résolution, des nanocristaux d’oxyde d’yttrium dopés par des ions europium. Leurs résultats montrent que les largeurs très étroites observées, 45 kHz à 1.3 K, ne sont pas limitées intrinsèquement par la taille des nanocristaux (130 nm). Une analyse des processus suggère que des largeurs de 10 kHz sont possibles dans des cristaux de 100 nm. Ces valeurs, comparables à celles mesurées dans des échantillons massifs, permettent d’envisager une interaction efficace entre terres rares et lumière, une première étape vers des interfaces quantiques complexes. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre du projet européen H2020 FET Open NanOQTech.