Les défauts ponctuels fluorescents dans les semi-conducteurs sont des
systèmes quantiques fascinants car ils se comportent comme des atomes
artificiels adressables optiquement. Habituellement, ces défauts ont une
structure microscopique statique où les atomes ne peuvent que vibrer
autour de positions d'équilibre bien définies.
Les chercheurs
de l'Irig apportent un nouvel éclairage sur un défaut du silicium,
connu depuis les années 70 sous le nom de centre G, pour lequel un des
atomes constitutifs peut explorer plusieurs sites cristallins. En
utilisant la micro-spectroscopie de luminescence à basse température à
l'échelle d'un défaut isolé, ils ont détecté une structure fine dans la
ligne d'émission, signature du mouvement de cet atome à l'intérieur du
cristal de silicium.
En analysant les propriétés d'émission des centres G
individuels, ils ont montré que la dynamique de leur mouvement est
fortement liée aux perturbations de l'environnement cristallin. En
particulier, la membrane en silicium sur isolant (SOI) - couramment
utilisée en microélectronique et en nanophotonique- présente un champ de
déformation inhomogène, qui perturbe chaque défaut de manière
spécifique.
Figure : Vue d'un
centre G mobile. Les boules bleues représentent les atomes de Si et les
boules noires les atomes de carbone en position de substitution. La
boule violette est un atome interstitiel de Si qui saute entre six sites
de réseau différents.
En conséquence, l'atome mobile du centre G, qui
serait parfaitement délocalisé entre 6 sites dans le cas non perturbé,
saute aléatoirement entre les différentes positions sous excitation
optique, comme une bille dans une roulette à 6 cases. En combinant
l'analyse spectrale et l'analyse de polarisation, les chercheurs ont pu
relier les lignes d'émission du centre G à des sites cristallins
spécifiques.
Le prochain défi consistera à contrôler la dynamique de
reconfiguration des centres G uniques dans le silicium. Les pistes
d'exploration comprennent l'ingénierie de la déformation et le
développement de protocoles d'excitation résonnante pour verrouiller la
position de l'atome mobile sur un site cristallin spécifique. Une autre
direction de recherche prometteuse consistera à étudier comment la
reconfiguration atomique du centre G influence son degré de liberté
quantique de spin.