Cet été, l’équipe MPOE Matériaux pour la Photonique et l’OptoÉlectronique de l’Institut de Recherche de Chimie Paris (CNRS, Chimie ParisTech, PSL Université) a publié deux articles majeurs dans la revue Physical Review Letters sur les cristaux dopés terres rares pour les technologies quantiques. Explications sur cette avancée prometteuse par Philippe Goldner, directeur de recherche CNRS et responsable de l’équipe.

Qu’est-ce que les cristaux dopés par des ions  de terres rares ? Ce sont des matériaux dans lesquels des états quantiques optiques de longue durée de vie peuvent être observés. Cette propriété, unique dans l’état solide, les rend très attractifs pour des technologies comme les mémoires quantiques. Celles-ci ouvrent des possibilités inédites dans les communications en permettant de stocker l’information quantique portée par des photons. Cette information n’est cependant pas nécessairement produite directement dans le domaine optique. C’est le cas en particulier des circuits supraconducteurs qui fonctionnent dans un régime micro-ondes. Comment alors franchir l’immense différence entre rayonnements optiques et micro-ondes, dont les fréquences sont dans un rapport de 10⁴ à 10⁵ ? Certains cristaux dopés terres rares pourraient en être capables. En effet, l’erbium est une terre rare qui possède une transition dans la gamme des télécommunications par fibre optique et peut de plus interagir avec des micro-ondes.

Cristaux d’orthosilicate d’yttrium dopes terres rares et schéma d’un montage permettant les études optiques et micro-ondes. © Sacha Welinski.

Des résultats prometteurs. Dans deux articles récents, une équipe de l’Institut de Recherche de Chimie Paris (CNRS, Chimie ParisTech, PSL Université) en collaboration avec des équipes américaines (Université du Montana), canadiennes (Université de Calgary) et néo-zélandaises (Université de Canterbury et d’Otago) a étudié les propriétés d’un cristal d’orthosilicate d’yttrium (Y₂SiO₅) dopé Er³⁺ dans ce contexte. D’une part, un nouveau protocole de conversion micro-onde optique a été proposé en tirant parti du niveau excité de l’erbium, alors que jusqu’ici les études se concentraient sur le niveau fondamental. Des mesures de spectroscopie optique et magnétique à très haute résolution montrent que ce protocole pourrait augmenter significativement l’efficacité de conversion. D’autre part, une approche théorique a été développée pour prédire les structures de niveaux d’énergie de l’erbium, ainsi que celles d’autres terres rares. Ceci représente une avancée importante pour analyser des résultats spectroscopiques expérimentaux souvent très complexes. Ces résultats ouvrent la voie à de nouveaux développements dans les technologies quantiques utilisant des cristaux dopés terres rares, aussi bien dans le domaine optique que micro-onde.

Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Références :

1. Welinski, P. J. T. Woodburn, N. Lauk, R. L. Cone, C. Simon, P. Goldner, and C. W. Thiel, « Electron Spin Coherence in Optically Excited States of Rare-Earth Ions for Microwave to Optical Quantum Transducers, » Physical Review Letters 122, 247401 (2019).
2. P. Horvath, J. V. Rakonjac, Y.-H. Chen, J. J. Longdell, P. Goldner, J.-P. R. Wells, and M. F. Reid, « A comprehensive understanding of ground and optically-excited hyperfine structure of ¹⁶⁷Er³⁺:Y2SiO5 » Physical Review Letters 123, 057401 (2019).