Vers des interfaces quantiques spin-lumière dans des nanoparticules dopées terres rares
Les systèmes nanométriques possédant des spins contrôlés par la lumière apportent des fonctionnalités clés aux technologies quantiques de communication, de calcul et de détection. Un défi majeur est cependant de conserver la durée de vie des états quantiques à l’échelle nanométrique alors que, par exemple, les perturbations liées à la surface sont considérablement renforcées. Des chercheurs de l’Institut de Recherche de Chimie Paris ont montré que les spins nucléaires de terres rares insérées dans des nanoparticules peuvent être contrôlés optiquement pour atteindre des durées de vie de plusieurs millisecondes à basse température. Cette propriété remarquable pour un nanomatériau ouvre la voie à de nouvelles interfaces spin-lumière pour les technologies quantiques. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue Nature Communications.
Les interfaces quantiques spin-lumière permettent de concevoir des dispositifs comme des mémoires ou des calculateurs dans lesquels l’information quantique portée par les spins peut être transmise via la lumière, dans des fibres optiques par exemple. Le contrôle optique des spins est aussi une façon efficace et rapide de réaliser des opérations quantiques, un avantage par rapport aux techniques radiofréquence traditionnelles.
A l’échelle nanométrique, de nouvelles possibilités apparaissent comme le contrôle et la lecture de spins uniques, ce qui suscite un grand intérêt dans une variété de systèmes : centre colorés dans le diamant, structures semi-conductrices, ou cristaux dopés par des ions de terres rares. Il reste cependant difficile d’obtenir de longues durées de vie pour les états quantiques dans les nanomatériaux, condition néanmoins essentielle de leur utilisation. En effet, une concentration plus élevée de défauts et des effets de surface importants sont souvent observés dans ces systèmes.
Les cristaux dopés par des terres rares sont des candidats très prometteurs pour des interfaces spin-lumière car ils possèdent des transitions optiques et de spins de longue durée de vie dans les matériaux massifs. Pour explorer leurs propriétés à l’échelle nanométrique, des chercheurs de l’Institut de Recherche de Chimie Paris, CNRS-Chimie ParisTech, se sont intéressés à des nanoparticules d’oxyde d’yttrium (Eu3+:Y2O3), matériaux dans lesquels cette équipe avait déjà obtenu des résultats remarquables pour les transitions optiques. Dans cette nouvelle étude, les durées de vie des états quantiques de spins nucléaires de l’europium ont été mesurées par des techniques entièrement optiques. Ces expériences, les premières dans une nanostructure dopées terres rares, montrent des valeurs record de plusieurs millisecondes à 1.3 K et sous faible champ magnétique. De plus, le découplage des spins de leur environnement par contrôle optique des états quantiques a été démontré pour la première fois. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre du projet européen FET-Open NanOQTech.
Les nanoparticules dopées terres rares sont ainsi les seuls nanomatériaux connus à associer des durées de vie longues pour les états quantiques optiques et de spin. Ceci ouvre la voie à de nouvelles plateformes pour les technologies quantiques optiques, notamment pour le stockage quantique de la lumière et les processeurs quantiques à grande échelle.
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Contact :
Philippe Goldner, Institut de Recherche de Chimie Paris, Université PSL, Chimie ParisTech, CNRS, 75005 Paris
philippe.goldner(at)chimie-paristech.fr
Diana Serrano,Institut de Recherche de Chimie Paris, Université PSL, Chimie ParisTech, CNRS, 75005 Paris
diana.serrano(at)chimie-paristech.fr
Tel. 01 53 73 79 30
Mesure par des techniques optiques des propriétés de spin nucléaire dans des nanoparticules dopées terres rares.
© 2018 Diana Serrano