Point defects in silicon : towards a novel platform for quantum technologies - Laboratoire Charles Coulomb (L2C) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Point defects in silicon : towards a novel platform for quantum technologies

Défauts dans le silicium : vers une nouvelle plateforme pour les technologies quantiques

Yoann Baron
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1253735
  • IdRef : 268664773

Résumé

The second quantum revolution, which began in the 1980s, aims to exploit the properties of quantum mechanics to design and build innovative devices.Optically active point defects in semiconductors are one of the studied quantum systems and have the particular feature of behaving like artificial atoms in the solid state.This implies that, isolated on an individual scale, they exhibit single photon emission that can be used for quantum communications.In addition, some defects have a detectable and controllable electronic or nuclear spin state that can be used as a quantum memory or sensor.Silicon is the main semiconductor of the electronics industry and the ideal platform for large scale nanofabrication of quantum circuits.However, fluorescent defects in this low-bandgap semiconductor have been little studied for quantum applications, with the first isolation of an optically active defect only recently reported.The study of these defects initially focused on the G centre, a carbon-based defect, which exhibits photoluminescence emission in the wavelengths used in optical fibre telecommunications, and has a non-zero spin state that can be exploited for quantum technologies.In this context, carbon-implanted silicon samples were explored, not only ensuring the creation and detection of single G centres, but also revealing multiple unidentified individual fluorescent defects emitting in the near infrared.Alongside this exploration, silicon-implanted samples were analysed, allowing the first isolation of the W centre, an intrinsic defect in silicon.On these different emitters, optical spectroscopy studies coupled with single photon emission analysis have revealed properties not accessible by ensemble measurements.The observation of individual defects embedded within silicon on insulator wafers opens the possibility of exploring defect-based quantum technologies in silicon, such as integrated quantum photonics and quantum communications.The next step would be to demonstrate control of the spin states, which could lead to the development of an efficient spin-photon interface operating at the telecommunications wavelength.
La deuxième révolution quantique, née dans les années 1980, vise à exploiter les propriétés de la mécanique quantique pour concevoir et construire des dispositifs innovants.Les défauts ponctuels optiquement actifs dans les semiconducteurs font partie des systèmes quantiques étudiés et ont la particularité de se comporter comme des atomes artificiels à l'état solide.Cela implique que, isolés à l'échelle individuelle, ils présentent une émission de photons uniques qui peut être utilisée pour les communications quantiques.De plus, certains défauts présentent un état de spin électronique ou nucléaire détectable et contrôlable qui peut être utilisé comme mémoire ou capteur quantique.Le silicium est le principal semiconducteur de l'industrie électronique et la plateforme idéale pour la nanofabrication à grande échelle de circuits quantiques.Cependant, les défauts luminescents de ce semiconducteur à faible bande interdite ont été peu étudiés pour les applications quantiques, avec le premier isolement d'un défaut optiquement actif n'ayant été rapporté que récemment.L'étude de ces défauts s'est d'abord concentrée sur le centre G, un défaut à base de carbone, qui présente une émission de photoluminescence aux longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications par fibre optique, et possède un état de spin non nul qui peut être exploité pour les technologies quantiques.Dans ce contexte, des échantillons de silicium implantés en carbone ont été explorés, assurant non seulement la création et la détection de centres G uniques, mais révélant également de multiples défauts fluorescents individuels non identifiés émettant dans le proche infrarouge.Parallèlement à cette exploration, des échantillons de silicium implanté ont été analysés, permettant la première isolation du centre W, un défaut intrinsèque du silicium.Sur ces différents émetteurs, des études de spectroscopie optique couplées à l'analyse de l'émission de photons uniques ont révélé des propriétés non accessibles par des mesures d'ensemble.L'observation de défauts individuels intégrés dans des plaquettes de silicium sur isolant ouvre la possibilité d'explorer les technologies quantiques basées sur les défauts dans le silicium, telles que la photonique quantique intégrée et les communications quantiques.Une prochaine étape consisterait à démontrer le contrôle des états de spin, ce qui pourrait conduire au développement d'une interface spin-photon efficace fonctionnant à la longueur d'onde des télécommunications.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04095502 , version 1 (11-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04095502 , version 1

Citer

Yoann Baron. Point defects in silicon : towards a novel platform for quantum technologies. Quantum Physics [quant-ph]. Université de Montpellier, 2022. English. ⟨NNT : 2022UMONS074⟩. ⟨tel-04095502⟩
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