Terres rares pour les technologies quantiques : les résultats du projet Européen NanOQTech publiés dans des revues renommées

Publication / Recherche
16 novembre 2020
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NanOQTech a associé durant trois ans neuf partenaires académiques et industriels pour développer des nanostructures dopées par des ions de terres rares et explorer leur potentiel pour les technologies quantiques optiques. Des résultats marquants du projet viennent d’être publiés dans Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters et Physical Review X.

Les technologies quantiques optiques utilisent des états non-classiques de la lumière et de la matière pour créer des fonctionnalités impossibles à obtenir actuellement dans le domaine des communications, du calcul et des capteurs. Les cristaux dopés terres rares sont des systèmes très prometteurs pour ces applications car les états quantiques optiques et de spin que l’on peut créer dans ces matériaux peuvent avoir des durées de vie très longues, ce qui permet de les exploiter efficacement. Ceci a été démontré dans des matériaux massifs, mais à l’échelle nanométrique, de nouvelles propriétés apparaissent, comme la possibilité de couplages très intenses avec la lumière dans des cavités optiques. Ceci ouvre des perspectives inédites, par exemple pour les processeurs quantiques, à la condition cruciale de conserver de longues durées de vie quantiques à l’échelle nanométrique. Ces différents aspects ont fait l’objet du projet FET Open NanOQTech, coordonné par Philippe Goldner, responsable du groupe ‘Cristaux et Dynamique des Etats Quantiques’ (équipe Matériaux pour la Photonique et l’Opto-Electronique – Institut de Recherche de Chimie Paris).

Dans ces derniers résultats, l’équipe a pu montrer que des traitements sous plasma d’oxygène de haute puissance modifie certains défauts dans des nanoparticules d’oxyde d’yttrium dopées par de l’europium, ce qui conduit à une importante augmentation de la durée de vie des états quantiques optiques des ions Eu3+. Ces systèmes exceptionnels pour des nano-matériaux ont ensuite été utilisés pour stocker et ré-émettre fidèlement des impulsions lumineuses, une première dans le domaine des mémoire quantiques. En collaboration avec l’Université de Genève, une forte augmentation des durées de vie des états quantiques d’une autre terre rare, l’ytterbium, a également été démontrée grâce à une nouvelle technique de polarisation de spins électroniques par excitation laser. Enfin, un dispositif associant un film mince dopés par des ions erbium et une couche de graphène a été mis au point en collaboration avec l’Institut des Sciences Photoniques (ICFO) de Barcelone. Il a permis de démontrer une modulation électrique de l’émission des terres rares dans une régime d’interactions à très courte distance pour des applications en opto-électronique quantique.

L’ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles perspectives dans le développement de matériaux de très haute qualité et leur intégration dans des systèmes innovants pour les technologies quantiques.

Références:

Welinski, A. Tiranov, M. Businger, A. Ferrier, M. Afzelius, and P. Goldner, Coherence Time Extension by Large-Scale Optical Spin Polarization in a Rare-Earth Doped Crystal, Phys. Rev. X 10, 031060 (2020). lien

Liu, A. Fossati, D. Serrano, A. Tallaire, A. Ferrier, and P. Goldner, Defect Engineering for Quantum Grade Rare-Earth Nanocrystals, ACS Nano 14, 9953 (2020).

Fossati, S. Liu, J. Karlsson, A. Ikesue, A. Tallaire, A. Ferrier, D. Serrano, and P. Goldner, A Frequency-Multiplexed Coherent Electro-Optic Memory in Rare Earth Doped Nanoparticles, Nano Lett. 20, 7087 (2020).

D. Cano, A. Ferrier, K. Soundarapandian, A. Reserbat-Plantey, M. Scarafagio, A. Tallaire, A. Seyeux, P. Marcus, H. de Riedmatten, P. Goldner, F. H. L. Koppens, and K.-J. Tielrooij, Fast Electrical Modulation of Strong Near-Field Interactions between Erbium Emitters and Graphene, Nat. Commun. 11, 1 (2020).

Contact Philippe Goldner

philippe.goldner@chimieparistech.psl.eu