Nanodiamants de qualité quantique contenant des centres colorés G4V synthétisés par CVD – NanoG4V

Dans l'ère technologique actuelle, dite ère quantique, de grands efforts sont consacrés à l'étude de matériaux quantiques et à leurs applications dans les domaines technologiques les plus variés tels que le traitement quantique de l'information, la cryptographie ainsi que le développement de capteurs dans des conditions extrêmes. Dans ce contexte, le diamant joue un rôle de premier plan en tant que plateforme d'accueil pour les centres colorés quantiques. En particulier, le centre coloré azote-lacune (NV) du diamant, largement étudié avec succès depuis les années 2000, se trouve aujourd’hui grandement utile dans de nombreux dispositifs quantiques, tels que l'imagerie magnétique, le traitement de l'information quantique ainsi que les répéteurs quantiques nécessaires pour les communications quantiques à longue distance. Néanmoins, l'émission du centre NV reste principalement localisée dans la bande satellite de phonons, ce qui limite l'efficacité du couplage spin-photon. Cette limite peut être surmontée par l’utilisation de centres combinant un atome du groupe IV à une lacune (centre G4V), tels que le centre silicium-lacune (SiV), le centre germanium-lacune (GeV), le centre étain-lacune (SnV) et le centre plomb-lacune (PbV), en raison de la protection induite par la symétrie de ces défauts. Cette protection permet de concentrer la luminescence du centre G4V à environ 80% de la luminescence totale dans la raie zéro phonon (ZPL). Cette propriété particulière subsiste lorsque les centres G4V sont intégrés dans des nanodiamants (ND), ce qui permet de les coupler efficacement à des microcavités pour l'optique quantique et de les utiliser comme source de photons uniques. Les NDs contenant des centres G4V sont également des capteurs quantiques appropriés pour les expériences à haute pression au-dessus du mégabar et pour les sciences de la vie. Nos études récentes ont montré que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) assisté par micro-ondes est une technique fiable permettant la synthèse de ND de haute qualité en grandes quantités, sans avoir besoin de germes ou d'un substrat. De plus, cette technique offre des degrés de liberté considérables sur l'incorporation d'impuretés du groupe IV (Si et Ge) dans les NDs provenant d'une source à l'état solide, et sur le contrôle de leur émissivité. Ces SiV- et GeV-NDs, tels qu'ils ont été produits, ont été testés avec succès en tant que nanocapteurs de stress jusqu'à des pressions de 180 GPa, surmontant ainsi les limites de fiabilité des capteurs traditionnels et même des capteurs à centres NV. C'est dans ce contexte scientifique que s'inscrit le projet NanoG4V, qui poursuit trois objectifs ambitieux : (1) synthétiser des NDs CVD de pureté quantique de haute qualité contenant des centres colorés G4V avec une ZPL stable et hautement émissive ; (2) optimiser les propriétés optiques des NDs G4V par recuit à haute pression et haute température (HPHT) et traitements de surface dans le but de réduire la distribution de lignes inhomogènes des centres colorés et s’approcher de la limite de durée de vie homogène ; (3) contrôler le nombre de centres G4V intégrés par ND et faire la démonstration de deux méthodes de mesures quantiques extrêmes : (i) détection de forts champs magnétiques (> 1 Tesla) et (ii) détection de fortes contraintes mécaniques (>100 GPa). Cette nouvelle génération de NDs G4V CVD de pureté quantique trouvera un vaste champ d'applications, au-delà même de la détection en conditions extrêmes, comme par exemple la thermométrie à l'échelle nanométrique, l'imagerie bicolore des cellules vivantes et le suivi des particules de délivrance de médicaments pour la science médicale, applications qui reposent toutes actuellement sur la synthèse de NDs par une procédure HPHT très complexe.