Capteurs quantiques à base de nitrure de bore hexagonal – ANR-NSF QISE

Résumé

Les capteurs basés sur des phénomènes quantiques ont un énorme potentiel pour gagner en sensibilité et en précision par rapport aux technologies bien établies. Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est une plateforme particulièrement prometteuse pour les capteurs quantiques avancés en raison de ses nombreuses propriétés : il s'agit d'un matériau de van der Waals bidimensionnel avec une bande interdite ultra-large, ses monocouches sont chimiquement et thermiquement stables et elles peuvent être en contact direct avec le système à sonder, ou même y être intégrées. Dans ce projet, les centres colorés de hBN avec des états de spin optiquement détectables créés par des lacunes de bore ou des impuretés seront optimisés pour mesurer des champs magnétiques et électriques. Des cristaux de hBN de haute qualité avec des densités de défauts contrôlées seront fabriqués sous la direction de J.H. Edgar à l'Université d'État du Kansas (KSU) à partir de solutions métalliques fondues. Guillaume Cassabois et Vincent Jacques du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) caractériseront en détail leurs propriétés optiques et quantiques. Ce projet abordera des questions clés pour l'optimisation de la détection quantique avec hBN, notamment : (1) Quels défauts ponctuels, tels que ceux créés par les lacunes de bore et le dopage carbone, sont les plus efficaces pour des capteurs quantiques ? (2) Quelles densités et configurations de défauts sont nécessaires pour optimiser les performances des dispositifs ? (3) Dans quelle mesure la détection quantique peut-elle être améliorée en utilisant du hBN avec des isotopes de bore et d'azote spécifiques ? (4) La détection quantique ultime de champs magnétiques et électriques peut-elle être faite avec des monocouches de hBN ?

Apports

Ce projet présente une étude expérimentale coordonnée sur les méthodes de création et les propriétés des défauts de spin optiquement détectables dans hBN pour la détection quantique de champs magnétiques et électriques. Des cristaux de hBN de haute qualité seront fabriqués par précipitation à partir de solutions métalliques fondues. Les défauts ponctuels à étudier comprennent les lacunes de bore créées par transmutation nucléaire, le carbone introduit pendant la croissance du cristal et l'implantation d'ions dans le hBN. Cela permettra de contrôler la concentration des défauts et leurs configurations. Afin de mieux comprendre les propriétés fondamentales des défauts et d'optimiser les sensibilités des capteurs quantiques, des cristaux de hBN purifiés isotopiquement en bore (10B et 11B), en azote (14N et 15N) et en carbone (12C et 13C) seront étudiés. Les résultats préliminaires suggèrent que le h10B15N est le meilleur pour la détection quantique, en raison du spin nucléaire plus faible de l'isotope 15N. Les états d'énergie des défauts seront étudiés par photoluminescence dans l'ultraviolet profond (3 eV à 6.5 eV) et par résonance magnétique détectée optiquement (ODMR). Des dispositifs quantiques seront fabriqués et leurs performances en matière de détection de champs magnétiques et électriques seront testées.

Impact

Ce projet fournira des lignes directrices pour la production de hBN présentant les meilleures propriétés pour la réalisation de capteurs quantiques. Ces dispositifs permettront d'améliorer la détection dans les domaines de la santé, de la sécurité, du commerce, de l'industrie et des applications scientifiques. L'une des priorités de ce projet est de former la prochaine génération de travailleurs à l'ingénierie quantique. Il offrira d'excellentes opportunités d'apprentissage sur la croissance cristalline, la caractérisation optique des matériaux et les propriétés et applications quantiques. Ce projet renforcera la collaboration internationale établie entre KSU et le CNRS. Ces activités démontreront les aspects créatifs, la nature collaborative et les avantages de la science et de la technologie quantiques pour la société.