Diamant de qualité quantique avec des centres NV localisés spatialement – TRAMPOLINE

Les systèmes quantiques à l'état solide qui possèdent un spin à longue durée de vie et/ou une cohérence optique sont susceptibles de jouer un rôle clé pour le développement d'un large éventail d'applications dans le domaine des technologies quantiques (TQ), depuis les réseaux quantiques jusqu’à l’information quantique en passant par les capteurs quantiques. Parmi les différents matériaux considérés, le diamant incorporant des centres colorés est sans doute l'un des systèmes les plus prometteurs et les plus étudiés. L'intérêt croissant pour ce matériau provient essentiellement des exceptionnelles propriétés optiques et de spin des centres azote-lacune (NV) dans le diamant, où un atome d'azote substitutionnel (N) est combiné à une lacune (V) dans le réseau cristallin, qui ont ouvert de larges perspectives pour de très nombreuses applications dans le domaine des TQ.
Le projet TRAMPOLINE vise à relever l'un des défis les plus importants du point de vue des procédés et des technologies de fabrication pour la production de cristaux de diamant de qualité quantique : la capacité de localiser spatialement les centres NV dans le cristal, soit dans une fine couche intégrée, soit à sa surface, tout en garantissant les propriétés nécessaires au applications quantiques.
Pour atteindre ces objectifs, le projet répondra aux enjeux suivants :
(i) Créer des couches NV delta-dopées (c'est-à-dire avec une localisation spatiale 2D des centres NV) dans des films de diamant synthétiques de haute qualité. A cette fin, deux méthodes seront utilisées :
- le dopage in situ à l'aide d'un nouveau type de réacteur de dépôt chimique en phase vapeur, conçu à partir d’une cavité non résonnante et permettant la croissance du diamant à des vitesses très faibles,
- le dopage ex situ de cristaux de diamant synthétiques intrinsèques en utilisant une nouvelle plate-forme d'implantation ionique polyvalente disposant d’une source plasma ECR,
suivies d'une encapsulation des centres NV par une fine couche de diamant intrinsèque.
(ii) Localiser davantage les centres NV (localisation spatiale 3D) en fabriquant des réseaux de nanopiliers à partir des couches de diamant delta-dopées via des procédés salle blanche
(iii) Évaluer et maximiser les propriétés optiques et de spin des centres NV en utilisant des post-traitements adaptés, tel que le recuit thermique rapide (RTR)
(iv) Valider le processus de fabrication du diamant et les post-traitements mis au point en intégrant le matériau produit dans des capteurs et dispositifs quantiques, tels que des capteurs quantiques en lévitation et des pointes pour la magnétométrie.
Le projet TRAMPOLINE associe trois laboratoires académiques français (LSPM, IRCP, LPENS) et une entreprise suisse (Qnami). Le consortium possède une expertise complémentaire dans différents domaines : ingénierie des réacteurs micro-ondes, synthèse de diamant, procédé de croissance, dopage, diagnostics et modélisation des plasmas, modèle Monte Carlo, procédés salle blanche, caractérisation des centres colorés, physique et capteurs quantiques, magnétométrie. Bénéficiant de ces compétences complémentaires et reconnues des partenaires, le projet se concentrera sur différents aspects visant à démontrer la pertinence de l'approche décrite ci-dessus pour l'amélioration des caractéristiques des cristaux de diamant destinés aux applications quantiques.