Les chercheurs induisent et détectent le transport de charge entre les centres de couleur du diamant

Les chercheurs induisent et détectent le transport de charge entre les centres de couleur du diamant

Un chiffre qui représente les expériences des chercheurs. Crédit : Lozovoi et al.

Les centres de couleur sont des imperfections atomiques dans les solides cristallins qui absorbent la lumière visible d’une couleur ou d’un rayonnement particulier. Ces défauts, généralement sous la forme d’atomes manquants ou d’impuretés de substitution, peuvent produire une couleur caractéristique dans des matériaux généralement transparents.

La compréhension de la façon dont les centres de couleur dans les semi-conducteurs capturent les porteurs de charge pourrait faciliter le développement de nouveaux dispositifs de détection et quantiques. Cependant, les expériences visant à étudier les centres de couleur nécessitent souvent de grandes collections de défauts dont la proximité mutuelle et l’interaction incontrôlée peuvent avoir des effets imprévus sur les observations.

Des chercheurs du City College of New York (CUNY), des Sandia National Laboratories, du Flatiron Institute et de l’Australian National University (ANU) ont récemment mené une étude sur les centres de manque d’azote (NV), des centres de couleur renommés dans le diamant. Leur article, publié en Nature Électronique, démontre l’activation optique et la détection du transport de charge entre différents défauts NV dans le diamant.

“Il y a quelques années, nous avons eu une idée grossière, à savoir, nous savions que les centres NV peuvent être polarisés en spin optique et nous savions également que leur état de charge peut être contrôlé avec des impulsions optiques”, Carlos A. Meriles, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude, a déclaré TechXplore. “Nous avons donc imaginé que ces deux ingrédients pourraient être combinés pour injecter des porteurs de charge polarisés en spin dans le diamant (il s’avère que le diamant est un matériau presque idéal pour les applications de spintronique qui, jusqu’à présent, reste inexploré, précisément à cause des difficultés d’injection de spin ).”

Meriles a discuté de l’idée avec Marcus Doherty à l’ANU et ils ont commencé à penser aux porteurs de charge d’une manière différente. Plus précisément, ils ont commencé à les considérer comme un « bus » capable de transporter de manière cohérente des informations quantiques entre les centres de couleur.

En 2016, Meriles, Doherty et d’autres chercheurs ont publié un article théorique formalisant cette idée. Par la suite, ils ont mené une série d’études visant à la mettre en œuvre dans un cadre expérimental. Leur étude récente rapproche ces idées de la réalité.

“Puisque le diamant est un matériau transparent (c’est-à-dire qu’il n’absorbe pas la lumière visible), on peut considérer les centres NV (et d’autres “centres de couleur”) comme des atomes virtuels piégés dans un environnement quelque peu ” inerte ” créé par le solide environnant ” dit Meriles. “En tant que tel, les énergies du système sont quantifiées et on peut utiliser la lumière pour l’exciter entre différents niveaux.”

Si les chercheurs excitent le diamant ou d’autres matériaux transparents avec un laser suffisamment puissant, un deuxième photon peut arriver avant que le centre NV précédemment excité n’ait eu le temps de se détendre. Ce processus peut amener le NV à émettre un électron, s’il avait à l’origine une charge négative excessive, ou un trou, s’il était initialement dans un état neutre.

Dans leurs expériences, l’équipe a réussi à induire ce processus dans le diamant à température ambiante en utilisant deux techniques, à savoir la microscopie confocale à fluorescence et la résonance magnétique. La microscopie confocale à fluorescence est une technique d’imagerie microscopique qui permet aux scientifiques d’observer des échantillons avec une résolution optique 3D élevée, tandis que la résonance magnétique est une méthode d’imagerie renommée qui consiste à exposer des échantillons à des champs magnétiques.

“Si l’on devait utiliser des valeurs typiques de la littérature pour calculer la probabilité de capturer un porteur de charge à partir d’une source atomique à quelques microns de distance, on trouverait que les chances sont comparables à celles de gagner à la loterie”, a déclaré Artur Lozovoi, chercheur postdoctoral à Meriles’ groupe de recherche et auteur principal de l’étude. “Donc, l’observation même du processus était, en soi, très surprenante.”

Dans leur article, l’équipe suggère que leurs observations pourraient s’expliquer par la formation intermédiaire d’états dits de Rydberg. Les états de Rydberg sont des états quantiques observés dans des molécules ou des atomes, où les orbites d’une particule ressemblent à celles d’un atome d’hydrogène et sont très grandes.

« Si tel est bien le cas, il serait peut-être possible de recréer à l’état solide ce que les physiciens atomiques produisent dans le vide, c’est-à-dire un ensemble de centres de couleur dont les états quantiques sont suffisamment grands pour qu’ils puissent interagir les uns avec les autres », a déclaré Meriles. mentionné. “Je souligne, cependant, que ce n’est qu’hypothétique pour le moment.”

À l’avenir, la stratégie d’activation et de détection du transport de charge entre les centres NV introduite par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir la voie à davantage d’études axées sur les centres de couleur et la façon dont ils capturent les porteurs de charge. En outre, l’équipe prévoit de mener d’autres expériences visant à mettre en œuvre et à examiner la même stratégie à différentes températures.

“Alors que ces expériences ont eu lieu dans des conditions ambiantes, nous adaptons maintenant notre configuration afin que nous puissions travailler à basse température où, nous pensons, nous pouvons assister à un régime différent (avec des porteurs de charge se propageant ‘balistiquement’ plutôt que ‘diffusion’), ” ajouta Lozovoi. « Si tel est le cas, nous pourrions trouver des opportunités pour guider plus efficacement les transporteurs d’une NV à l’autre (pour passer progressivement d’un processus de transport ” probabiliste ” à un processus de transport presque ” déterministe “). Dans nos prochaines études, nous avons également l’intention de mieux comprendre le spin processus connexes à ces températures ainsi que l’impact des champs magnétiques appliqués de l’extérieur.


Diamants et traitement de l’information quantique à l’échelle nano


Plus d’information:
Artur Lozovoi et al, Activation optique et détection du transport de charge entre les centres de couleur individuels dans le diamant. Nature Électronique(2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00656-z

www.nature.com/articles/s41928-021-00656-z

MW Doherty et al, Vers un bus quantique de spin à température ambiante dans le diamant via la photoionisation, le transport et la capture d’électrons, Examen physique X (2016). DOI : 10.1103 / PhysRevX.6.041035

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Citation: Les chercheurs induisent et détectent le transport de charges entre les centres de couleur dans le diamant (2021, 5 novembre) récupéré le 5 novembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-11-centers-diamond.html

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