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.
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.
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.
Collaboration
- Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
- CEA-Léti (Grenoble)
- IM2NP Marseille
- Université Leipzig
- Université Budapest