Vers la prochaine génération de capteurs quantiques

3 octobre 2023

La lacune de Bore chargée négativement (V_B^–) dans le nitrure de bore hexagonal (hBN), créée par implantation ionique au CEMES, est prometteuse pour le développement des technologies quantiques 2D à base de spins. Les résonances de spin de ce défaut ponctuel dépendent fortement des perturbations extérieures (champ électrique, magnétique, température) et peuvent être mesurées optiquement à conditions ambiantes, même dans la limite de couches atomiques, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour la détection quantique avec une proximité sans précédent de l’échantillon.

Les technologies de détection quantique basées sur les défauts de spin des solides ont déjà montré un énorme potentiel pour répondre au besoin croissant de capteurs de haute précision. Cependant, les méthodes de détection basées sur les défauts de spin dans les matériaux 3D, tels que les centres NV dans le diamant, sont limitées en résolution spatiale en raison de l’impossibilité de concevoir des capteurs ultrafins et flexibles qui pourraient être aussi proches que possible de l’échantillon. Les défauts de spin dans les matériaux 2D, tels que les centres V_B^– du hBN, permettent de dépasser ces limitations.

Pour maximiser les performances de détection des centres V_B^–, des cristaux hBN isotopiquement purifiés ont été étudiés par résonance de spin électronique (RSE). Le bore a deux isotopes stables, ¹¹B (80% d’abondance naturelle (AN)) et ¹⁰B (20% AN), tandis que l’azote se rencontre sous forme ¹⁴N (99.6% AN) ou ¹⁵N (0.4% NA). Avec l’isotope de hBN le plus abondant naturellement (h¹¹B¹⁴N), en appliquant un faible champ magnétique statique B_z qui lève la dégénérescence de spin électronique (effet Zeeman), la RSE des centres V_B^– est caractérisée par une structure complexe à sept pics résultant de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires des trois noyaux ¹⁴N plus proches voisins. Le couplage hyperfin avec les atomes de bore seconds voisins se traduit plutôt par un élargissement global de chaque pic RSE. Les autres configurations isotopiques de hBN (h¹⁰B¹⁴N, h¹⁰B¹⁵N, et h¹¹B¹⁵N) ont été étudiées de la même façon.

Ce travail montre que la purification isotopique avec ¹⁵N donne une structure hyperfine des centres V_B^– simplifiée et bien résolue, tandis que la purification avec ¹⁰B conduit à des raies RSE plus fines (voir Figure). Ces résultats définissent les cristaux h¹⁰B¹⁵N isotopiquement purifiés comme le matériau optimal pour l’utilisation future des défauts de spin dans les technologies quantiques.

Figure –  (a) Structure simplifiée des niveaux d’énergie du centre V_B^– dans hBN montrant les sous-niveaux de spin électronique ms = 0,±1 dans les états fondamental (GS) et excité (ES), ainsi que leur évolution avec un champ magnétique statique Bz appliqué le long de l’axe c de hBN. Structure hyperfine du centre V_B^– dans les cristaux (b) h¹⁰B¹⁴N, (c) h¹⁰B¹⁵N, et (d) h¹¹B¹⁵N.

La prochaine étape maintenant est de réduire l’épaisseur des couches de hBN pour atteindre la proximité atomique ultime entre le capteur et l’échantillon sondé.

Le Cemes (équipe MEM et plateforme ATP) participe à ces avancées en créant les défauts V_B^– par implantation ionique, technique alternative à l’irradiation par neutron dont les principaux inconvénients sont l’accessibilité et le danger potentiel dû aux produits de transmutation. Cependant, l’implantation ionique nécessite d’optimiser les combinaisons ion/énergie/dose pour créer un réseau dense de centres V_B dans des feuillets hBN ultraminces, idéalement jusqu’à la monocouche. Cela sera fait par :
– des simulations Monte-Carlo avancées pour sélectionner les paramètres de l’implantation optimisant la formation des centres V_B
– la réalisation d’implantations ioniques variées sur des feuillets hBN exfoliés de différentes épaisseurs
– de la microscopie électronique en transmission haute-résolution pour mesurer la densité des centres V_B.

Ce travail est soutenu par :
– ANR QFoil (L2C, LPCNO, Cemes)
– NanoX Q2D-Sens (LPCNO, Cemes)

Publication :
Isotopic control of the boron-vacancy spin defect in hexagonal boron nitride
T. Clua-Provost, A. Durand, Z. Mu, T. Rastoin, J. Fraunié, E. Janzen, H. Schutte, J. H. Edgar, G. Seine, A. Claverie, X. Marie, C. Robert, B. Gil, G. Cassabois, V. Jacques
Physical Review Letters 131 (2023) 126901
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.126901

Contacts :
Alain Claverie | alain.claverie[chez]cemes.fr
Grégory Seine | gregory.seine[chez]cemes.fr