Une roulette de casino nanoscopique dans le silicium !

Les défauts cristallins fluorescents dans les matériaux semiconducteurs sont des systèmes quantiques fascinants car ils se comportent comme des atomes artificiels piégés dans le cristal. Parmi les nombreux défauts possibles du cristal de silicium, ce matériau phare des microprocesseurs, existe un défaut particulièrement intéressant, bien connu depuis les années 1970 et appelé le centre G. L’étude de ce dernier a connu un regain d'activité ces dernières années en raison de ses propriétés de spin combinées à une émission de photons uniques aux longueurs d'onde télécom. Habituellement, les défauts ont une structure microscopique statique où les atomes ne sont autorisés à vibrer qu'autour de positions d'équilibre bien définies, sans pouvoir faire des excursions de plus grande ampleur. Étonnamment, ce n'est pas le cas pour le centre G, qui est constitué de 2 impuretés de carbone, reliées par un atome de silicium interstitiel qui peut bouger entre 6 sites cristallins (voir figure). 

Cet effet n'avait jamais été observé à l'échelle du défaut individuel, une prouesse qui a été réalisée récemment par une collaboration  internationale (voir ci-dessous). En isolant un seul défaut G par des techniques de microscopie avancées à basse température, les scientifiques ont en effet détecté une structure fine dans ses raies d'émission qui est la signature du mouvement d'un seul atome de silicium à l'intérieur du cristal massif contenant des milliards de milliards d'atomes de silicium. En analysant les propriétés d'émission des centres G individuels, les scientifiques ont de plus montré que leur dynamique est très sensible aux perturbations de l'environnement cristallin. En particulier, les échantillons couramment utilisés en microélectronique et en nanophotonique, constitués d'une couche de silicium sur une couche de silice SiO₂, présentent une contrainte qui déforme la structure géométrique des défauts. En conséquence, l'atome mobile des centres G, qui est parfaitement délocalisé entre les 6 sites dans le cas non perturbé, se retrouve piégé dans un site donné. L'excitation laser le fait alors sauter aléatoirement entre les différentes positions, comme une bille dans une roulette de casino à 6 cases. 

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :
 

• Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS / Université de Montpellier)
• Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence (IM2NP, CNRS / Aix-Marseille Université / Centrale Marseille)
• Sont aussi impliqués dans ces travaux le laboratoire PHotonique ELectronique et Ingénierie QuantiqueS (PHELIQS - Université Grenoble Alpes, CEA, Grenoble INP), le CEA-LETI et l'Université de Budapest en Hongrie. 

Les sources de photons uniques et les interfaces spin-photon exploitant les propriétés de centres G individuels sont intéressantes dans le contexte du développement florissant de la photonique quantique intégrée sur des puces en silicium. Ainsi, le prochain défi pour les chercheurs et chercheuses consistera à contrôler la dynamique de reconfiguration des centres G individuels. Les pistes d'exploration future comprennent l'ingénierie de la déformation du cristal de silicium et le développement de protocoles d'excitation laser résonante pour forcer l'atome mobile à rester dans un site cristallin donné. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review X.