Détection quantique sur une puce

Les chercheurs du MIT ont, pour la première fois, fabriqué un capteur quantique à base de diamants sur une puce de silicium. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à un matériel évolutif et peu coûteux pour l’informatique quantique, la détection et la communication.

Les  » centres de vacance d’azote (NV)  » dans les diamants sont des défauts avec des électrons qui peuvent être manipulés par la lumière et les micro-ondes. En réponse, ils émettent des photons colorés qui transmettent des informations quantiques sur les champs magnétiques et électriques environnants, qui peuvent être utilisés pour la biodétection, la neuro-imagerie, la détection d’objets et autres applications de détection. Mais les capteurs quantiques traditionnels à base de NV ont à peu près la taille d’une table de cuisine, avec des composants discrets et coûteux qui limitent l’aspect pratique et l’évolutivité.

Dans un article publié dans Nature ElectronicsLes chercheurs ont trouvé un moyen d’intégrer tous ces composants encombrants – y compris un générateur de micro-ondes, un filtre optique et un photodétecteur – sur un boîtier à l’échelle millimétrique, en utilisant les techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Notamment, le capteur fonctionne à température ambiante et peut détecter la direction et l’amplitude des champs magnétiques.

Les chercheurs ont démontré l’utilisation du capteur pour la magnétométrie, ce qui signifie qu’ils ont été en mesure de mesurer les variations de fréquence à l’échelle atomique dues aux champs magnétiques environnants, qui peuvent contenir des informations sur l’environnement. Avec un affinement plus poussé, le capteur pourrait avoir une gamme d’applications, allant de la cartographie des impulsions électriques dans le cerveau à la détection d’objets, même sans une ligne de visée.

« Il est très difficile de bloquer les champs magnétiques, c’est donc un énorme avantage pour les capteurs quantiques « , explique Christopher Foy, co-auteur et étudiant diplômé du Département de génie électrique et d’informatique (EECS). « S’il y a un véhicule qui circule dans un tunnel souterrain, par exemple, vous serez capable de le détecter même si vous ne le voyez pas. »

Rejoindre Foy sur le papier, c’est : Mohamed Ibrahim, étudiant diplômé en EECS ; Donggyu Kim PhD’19 ; Matthew E. Trusheim, postdoc en EECS ; Ruonan Han, professeur associé en EECS et responsable du Terahertz Integrated Electronics Group, qui fait partie des Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT ; et Dirk Englund, professeur associé en génie électrique et informatique, chercheur au Research Laboratory of Electronics (RLE), et responsable du Quantum Photonics Laboratory.

Rétraction et empilage

Les centres NV dans les diamants se produisent là où il manque des atomes de carbone à deux endroits adjacents dans la structure en treillis – un atome est remplacé par un atome d’azote, et l’autre espace est un « vide » vide. Cela laisse des liaisons manquantes dans la structure, où les électrons sont extrêmement sensibles aux variations infimes des caractéristiques électriques, magnétiques et optiques de l’environnement.

Le centre NV fonctionne essentiellement comme un atome, avec un noyau et des électrons environnants. Il possède également des propriétés photoluminescentes, c’est-à-dire qu’il absorbe et émet des photons colorés. Balayer les micro-ondes à travers le centre peut le faire changer d’état – positif, neutre et négatif – ce qui à son tour change la rotation de ses électrons. Ensuite, il émet différentes quantités de photons rouges, en fonction de la rotation.

Une technique, appelée résonance magnétique optiquement détectée (RMO), mesure le nombre de photons émis par interaction avec le champ magnétique environnant. Cette interaction produit d’autres informations quantifiables sur le terrain. Pour que tout cela fonctionne, les capteurs traditionnels ont besoin de composants encombrants, y compris un laser monté, une alimentation électrique, un générateur de micro-ondes, des conducteurs pour acheminer la lumière et les micro-ondes, un filtre optique et un capteur, et un composant de lecture.

Les chercheurs ont plutôt mis au point une nouvelle architecture de puces qui positionne et empile des composants minuscules et peu coûteux d’une certaine façon en utilisant la technologie CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire standard), afin qu’ils fonctionnent comme ces composants. « Les technologies CMOS permettent de réaliser des structures 3D très complexes sur une puce « , explique M. Ibrahim. « Nous pouvons avoir un système complet sur la puce, et nous n’avons besoin que d’un morceau de diamant et d’une source lumineuse verte sur le dessus. Mais ça peut être une LED normale à l’échelle de la puce. »

Les centres NV à l’intérieur d’une dalle de diamant sont positionnés dans une « zone de détection » de la puce. Un petit laser à pompe vert excite les centres NV, tandis qu’un nanofil placé à proximité des centres NV génère des micro-ondes de balayage en réponse au courant. Fondamentalement, la lumière et les micro-ondes travaillent ensemble pour que les centres NV émettent une quantité différente de photons rouges, la différence étant le signal cible à lire dans les expériences des chercheurs.

Sous les centres NV se trouve une photodiode, conçue pour éliminer le bruit et mesurer les photons. Entre le diamant et la photodiode se trouve un réseau métallique qui agit comme un filtre qui absorbe les photons laser verts tout en permettant aux photons rouges d’atteindre la photodiode. En bref, cela permet la mise en place d’un dispositif ODMR sur puce, qui mesure les décalages de fréquence de résonance avec les photons rouges qui transportent l’information sur le champ magnétique environnant.

Mais comment une puce peut-elle faire le travail d’une grosse machine ? Un truc clé consiste simplement à déplacer le fil conducteur, qui produit les micro-ondes, à une distance optimale des centres NV. Même si la puce est très petite, cette distance précise permet au courant de fil de générer suffisamment de champ magnétique pour manipuler les électrons. L’intégration étroite et la conception codée des fils conducteurs hyperfréquences et des circuits de génération aident également. Dans leur article, les chercheurs ont été en mesure de générer suffisamment de champ magnétique pour permettre des applications pratiques dans la détection d’objets.

Ce n’est que le début

Dans un autre article présenté plus tôt cette année à l’International Solid-State Circuits Conference, les chercheurs décrivent un capteur de deuxième génération qui apporte diverses améliorations à cette conception pour atteindre une sensibilité 100 fois supérieure. Ensuite, les chercheurs disent qu’ils ont une « feuille de route » pour augmenter la sensibilité de 1 000 fois. Il s’agit essentiellement d’augmenter l’échelle de la puce pour augmenter la densité des centres NV, ce qui détermine la sensibilité.

Si c’est le cas, le capteur pourrait être utilisé même dans des applications de neuroimagerie. Cela signifie que le capteur doit être placé près des neurones, où il peut détecter l’intensité et la direction des neurones qui tirent. Cela pourrait aider les chercheurs à cartographier les connexions entre les neurones et à voir quels neurones se déclenchent les uns les autres. D’autres applications futures, y compris le remplacement du GPS pour les véhicules et les avions. Parce que le champ magnétique de la Terre a été si bien cartographié, les capteurs quantiques peuvent servir de boussoles extrêmement précises, même dans des environnements dépourvus de GPS.

« Nous n’en sommes qu’au début de ce que nous pouvons accomplir, dit Han. « C’est un long voyage, mais nous avons déjà deux jalons sur la voie, avec la première et la deuxième génération de capteurs. Nous prévoyons passer de la détection à la communication et à l’informatique. Nous savons comment aller de l’avant et nous savons comment y arriver. »

« Je suis enthousiasmé par cette technologie de capteurs quantiques et je prévois un impact majeur dans plusieurs domaines « , déclare Ron Walsworth, maître de conférences à l’Université Harvard, dont le groupe développe des outils de magnétométrie haute résolution utilisant des centres NV.

« Ils ont franchi une étape clé dans l’intégration de capteurs à diamant quantique à la technologie CMOS, y compris la génération et la diffusion de micro-ondes sur puce, ainsi que le filtrage et la détection sur puce de la lumière fluorescente véhiculant l’information provenant des défauts quantiques du diamant. L’unité qui en résulte est compacte et relativement peu puissante. Les prochaines étapes consisteront à améliorer davantage la sensibilité et la largeur de bande du capteur de diamant quantique (et) à intégrer le capteur de diamant CMOS dans un large éventail d’applications, notamment l’analyse chimique, la spectroscopie RMN et la caractérisation des matériaux. »