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11/23/2021

Vers le développement de capteurs quantiques intégrés ultrasensibles : le projet ANR QDOT

Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) présents dans divers objets du quotidien (smartphones, automobiles, etc.) comme accéléromètre, magnétomètre, capteur de pression ou de gaz permettent, grâce à leur masse réduite, une très faible consommation énergétique alliée à une grande sensibilité de détection. En vue de concevoir une nouvelle génération de transducteurs intégrés, leurs dimensions ont encore été réduites, cependant les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) sont très difficiles à détecter et sensibles aux perturbations externes. Pour pallier à ces verrous, le projet ANR QDOT travaille au développement d’un nouveau type de capteur quantique intégré. Entretien croisé avec Jean-Philippe Poizat, chercheur à l’Institut Néel (CNRS) et coordinateur du projet, et Pierre Verlot, Enseignant chercheur à l’Université Paris Saclay et membre du projet.

Quelles sont les limitations technologiques actuelles liées à la mesure de position des capteurs mécaniques de taille nanométrique ?

PV : La détection ultra-sensible de position des systèmes mécaniques a considérablement progressé au cours des 20 dernières années, avec l’émergence de dispositifs capables de voir les fluctuations quantiques du mouvement. Ces méthodes consistent principalement à coupler le dispositif mécanique à un champ électromagnétique (champ électrique, lumière laser…), que le mouvement va modifier. La détection de cette modification permet alors de révéler les fluctuations du mouvement avec une très grande précision. Du fait de leur très faible taille, les systèmes nanomécaniques se couplent généralement assez mal au champ électromagnétique, bien adapté jusqu’au niveau micrométrique. En deçà de cette échelle, ces méthodes perdent rapidement de leur efficacité, les modifications du champ électromagnétique induites par le mouvement nanomécanique étant trop faibles pour être correctement détectées. Il devient alors nécessaire de développer de nouvelles approches.

Quelle approche et méthodes avez-vous mobilisées au sein du projet QDOT dans l’objectif de concevoir un nouveau type de capteur quantique intégré ?

JPP : Le projet QDOT s’est construit à la suite de résultats non prévus obtenus lors d’un précédent projet ANR WIFO (2011-2014) sur des effets non-linéaire géants dans le système qui a plus tard été utilisé dans QDOT. C’est important de mentionner que la recherche est une activité dont les résultats sont par définition difficiles à prévoir. Il arrive parfois que des opportunités non programmées se présentent et c’est bien que l’ANR ait la souplesse de permettre ces changements de direction non prévus.

L’objet étudié n’était initialement pas conçu pour mettre en évidence les effets de contraintes sur l’énergie d’émission d’une boite quantique semi-conductrice, mais pour optimiser l’interaction de cette boite quantique avec la lumière. Cependant, la géométrie de cet objet en forme de microfil en cône inversé (cf figure ci-contre) s’est montrée particulièrement efficace pour exalter la contrainte ressentie par la boite quantique pour un déplacement donné de l’extrémité du microfil, et faire de cet objet un capteur de déplacement particulièrement sensible et extrêmement localisé. L’association de compétences en physique des semi-conducteurs et en optomécanique a permis de tirer parti des propriétés remarquables de cet objet.

PV : Une boite quantique semiconductrice peut être vue de manière simplifiée comme un défaut nanométrique contenant un électron, dont les états d’énergie (« les états quantiques ») sont extrêmement sensibles aux contraintes subies par sa matrice hôte. La détection des états de cet électron permet donc potentiellement d’accéder aux déformations de systèmes mécaniques de la taille de la boite quantique, c’est-à-dire quelques nanomètres, ce qui est 1000 fois plus petit que ce que les méthodes basées sur l’utilisation du champ électromagnétique nous permettent de faire ! L’idée du projet QDOT est alors d’utiliser ces boites quantiques comme sondes locales intégrées aux systèmes nanomécaniques, et permettant la détection ultra-sensible du mouvement tout en s’affranchissant des contraintes et des limites liées à l’utilisation de champs électromagnétiques.

La question qui se pose alors est celle de la fabrication d’objets nanométriques intégrants de telles boites quantiques semi-conductrices, tout en préservant des propriétés vibratoires de très haute qualité pour des applications ultra-sensibles telles que la détection de forces, la spectrométrie de haute précision, et la transduction cohérente d’information quantique. Cette question soulève un problème méthodologique caractéristique des approches de rupture risquées, où le pari technologique sur lequel se fonde le projet inclut lui-même l’ensemble des éléments permettant de le valider.

Pour le projet QDOT, nous sommes allés plus loin et avons souhaité nous appuyer sur une méthode ultra-sensible complémentaire permettant un diagnostic indépendant des propriétés de systèmes nanomécaniques. Cette nouvelle technique de mesure repose sur le couplage des vibrations de ces objets à un faisceau d’électrons focalisé. En effet, la microscopie électronique est réputée pour les images de très forts contrastes qu’elle permet de réaliser en balayant le faisceau à la surface de l’échantillon étudié, avec une résolution de l’ordre du nanomètre. Inversement, le déplacement d’un système mécanique éclairé par un faisceau d’électron fixe est donc responsable d’une forte modulation de l’intensité du signal d’imagerie, ce qui permet la détection du mouvement des nano-objets avec une très grande sensibilité.

JPP : L’une des motivations importantes du projet QDOT découle de nos travaux antérieurs publiés en 2014 (Yeo et al., Nature Nano 2014), où nous avions mis en évidence le très fort couplage du déplacement d’un microfil photonique aux états d’une boite quantique insérée au voisinage de sa base (voir figure). Comme toujours en physique, un tel couplage fonctionne dans les deux sens, et l’on s’attend donc à ce que la manipulation des états de la boite quantique ait également un effet sur la position du microfil. Deux membres de notre équipe avaient prévu cet effet important (Auffèves et Richard PRA 2014), qui peut être vu à la fois comme une limite pour la sensibilité de la mesure de la position du microfil, mais aussi comme une opportunité ouvrant la perspective, dans certaines conditions, de transférer les propriétés non-classiques de la boite quantique au microfil, conduisant ainsi à la production d’états quantiques du mouvement d’un système massif.

Quels avantages offrent les systèmes hybrides mis au point au sein du projet QDOT ?

JPP : On parle ici de système hybride en tant que dispositif au sein duquel le mouvement d’un élément mobile, ici le microfil, se couple aux états d’un émetteur quantique (la boite quantique). Pour le projet QDOT, ce couplage par la contrainte mécanique est intégré et ne nécessite aucun réglage, il est donc très robuste, ce qui le rend compatible avec des applications en milieu extrême. L’intégration sur puce de ce système et son procédé de fabrication permettent d’envisager un assemblage massif au sein de réseaux, ce qui représente un avantage important dans la perspective d’applications aux technologies quantiques (télécommunications, traitement de l’information quantique). De plus, l’interfaçage optique naturel de notre système le rend particulièrement maniable, et compatible avec les stratégies de déploiement des nouveaux réseaux de télécommunication. Enfin, le fonctionnement à une température de 4 K facilement accessible est un atout important pour sa mise en œuvre.

Quels sont les apports de vos travaux et développements du couplage électromécanique à des faisceaux d’électrons focalisés ?

PV : Cette méthode de détection en était à ses prémisses au commencement de QDOT, et nous ne l’avions jamais mise en œuvre sur des objets de la taille des nanofils semiconducteurs que nous avons développés, c’est-à-dire de diamètres de quelques dizaines de nanomètres et de longueurs de quelques micromètres, pour des masses de l’ordre de quelques femtogrammes (10-18 kg) et des fréquences de vibrations pouvant atteindre quelques dizaines de MHz, ce qui est relativement élevé.

Nos travaux nous ont tout d’abord permis de confirmer la remarquable efficacité de cette méthode de détection, avec des sensibilités aux déplacements inférieures à la centaine de femtomètres (10-15 m), c’est-à-dire un déplacement égal à un millième de la taille d’un atome, pour des systèmes pratiquement indétectables par d’autres méthodes. Nous avons également établi un ensemble de conditions permettant de minimiser les effets dits « d’action en retour » de la mesure (qui inclut l’altération du système et de sa dynamique vibratoire par la simple action de le mesurer). Nous avons ainsi pu mettre en évidence le mécanisme d’action en retour le plus fondamental associé à cette mesure, c’est-à-dire l’échange d’impulsion entre les électrons et les nanofils étudiés.

Et les axes de vos futurs travaux de recherche ?

PV : Les perspectives ouvertes par le projet QDOT peuvent se décliner en 3 axes.

Tout d’abord, ce projet appelle une suite naturelle qui consiste à s’appuyer sur de nouvelles structures permettant d’entrer dans le régime quantique de l’interaction boite quantique-nanofil. Un tel régime ouvrira la voie à l’utilisation de ces systèmes hybrides optomécaniques pour préparer des états de vibration non classiques (tels que des « chats de Schrödinger), et également comme brique élémentaire pour les télécommunications quantiques.

Ensuite, ces travaux nous ont également amené à étendre nos connaissances et notre savoir-faire à d’autres systèmes hybrides optomécaniques couplés par la contrainte, et dont nous envisageons l’utilisation comme capteurs ultra-sensibles de vibrations et pour la stabilisation active d’environnements scientifiques contaminés par le bruit acoustique.

Enfin, nos travaux nous ont également permis de découvrir la très grande sensibilité du couplage électromécanique à des faisceaux d’électrons à des détails de structures qui ne sont pas nécessairement visibles en ayant recours à des méthodes d’imagerie encore mieux résolues (tels que la microscopique à transmission). Ainsi, nous comptons développer de nouvelles techniques de microscopie électronique « dynamiques », c’est-à-dire basées sur l’exploitation des fluctuations du signal d’imagerie au sein d’un microscope électronique à balayage, afin d’en augmenter le potentiel et ainsi accéder à la mesure d’anomalies, défauts de surface, mais aussi de propriétés intrinsèques telles que l’élasticité, la densité ou la conductivité thermique, qui restent très difficiles à mesurer à l’heure actuelle.

Publications clés :

Inducing micromechanical motion by optical excitation of a single quantum dot. J. Kettler, N. Vaish, L. M. de Lépinay, B. Besga, P.-L.de Assis, O. Bourgeois, A. Auffèves, M. Richard, J. Claudon, J.-M. Gérard, B. Pigeau, O. Arcizet, P. Verlot et J.-P. Poizat, Nature Nanotechnology, Publié le 21 décembre 2020. DOI: 10.1038/s41565-020-00814-y

Shot-Noise-Limited Nanomechanical Detection and Radiation Pressure Backaction from an Electron Beam S. Pairis, F. Donatini, M. Hocevar, D. Tumanov, N. Vaish, J. Claudon, J.-P. Poizat, and P. Verlot Physical Review Letters. Publié le 1 Mars 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.083603

Optical driving of macroscopic mechanical motion by a single two-level system, A. Auffèves and M. Richard, Phys. Rev. A, publié le 12 aout 2014, DOI : 10.1103/PhysRevA.90.023818

Strain-mediated coupling in a quantum dot–mechanical oscillator hybrid system
I. Yeo, P-L. de Assis, A. Gloppe, E. Dupont-Ferrier, P. Verlot, N. S. Malik, E. Dupuy, J. Claudon, J-M. Gérard, A. Auffèves, G. Nogues, S. Seidelin, J-Ph. Poizat, O. Arcizet & M. Richard, Nature Nanotechnology, Publié le 22 décembre 2013. DOI: 10.1038/nnano.2013.274

En savoir plus :

Déplacer un objet macroscopique grâce à un système quantique (information CNRS – INP)

Vidéo France 3 Auvergne-Rhône-Alpes avec l’intervention de Julien Claudon, partenaire du projet QDOT : « A l'Institut Néel/CNRS de Grenoble, pôle d'excellence de la recherche quantique »

Le projet ANR QDOT

Le projet ANR WIFO

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