Sunnyvale, Californie – 26 mars 2024 – Recherche NTT, Inc., une division de NTT (TYO : 9432), a annoncé aujourd'hui que les scientifiques de son Laboratoire de Physique et Informatique (PHI) ont réussi le contrôle quantique des fonctions d'onde des excitons dans les semi-conducteurs bidimensionnels (2D). Dans un article publié dans Science Advances, une équipe dirigée par Thibault Chervy, chercheur au PHI Lab, et le professeur Puneet Murthy de l'ETH Zurich, ont documenté leur succès dans le piégeage d'excitons dans diverses géométries, y compris les points quantiques, et dans leur contrôle pour obtenir un accordage d'énergie indépendant sur des réseaux évolutifs.

Cette avancée majeure a été réalisée au laboratoire PHI en collaboration avec des scientifiques de l'ETH Zurich, de l'université de Stanford et de l'Institut national des sciences des matériaux du Japon. Les excitons, qui se forment lorsqu'un matériau absorbe des photons, sont cruciaux pour des applications allant de la collecte et de la génération de lumière au traitement de l'information quantique. Cependant, parvenir à un contrôle précis de leur état mécanique quantique se heurte à des problèmes d’évolutivité en raison des limites des techniques de fabrication existantes. En particulier, le contrôle de la position et de l’énergie des points quantiques constitue un obstacle majeur à l’évolution vers des applications quantiques. Ces nouveaux travaux ouvrent des possibilités d'ingénierie de la dynamique et des interactions des excitons à l'échelle nanométrique, avec des implications pour les dispositifs optoélectroniques et l'optique quantique non linéaire.

 Les points quantiques, dont la découverte et la synthèse ont été reconnues dans un Prix ​​Nobel 2023, ont déjà été déployés dans des écrans vidéo de nouvelle génération, des marqueurs biologiques, des schémas cryptographiques et ailleurs. Leur application à l’informatique optique quantique, au cœur du programme de recherche du laboratoire PHI, s’est toutefois jusqu’à présent limitée à des systèmes à très petite échelle. Contrairement aux ordinateurs numériques d'aujourd'hui qui exécutent la logique booléenne en utilisant des condensateurs pour bloquer les électrons ou leur permettre de circuler, l'informatique optique est confrontée à ce défi : les photons n'interagissent pas, par nature, les uns avec les autres.

Bien que cette fonctionnalité soit utile pour la communication optique, elle limite considérablement les applications informatiques. Les matériaux optiques non linéaires offrent une approche, en permettant une collision photonique qui peut être utilisée comme ressource pour la logique. (Un autre groupe du laboratoire PHI se concentre sur l'un de ces matériaux, le niobate de lithium en couche mince.) L'équipe dirigée par Chervy travaille à un niveau plus fondamental. "La question que nous abordons est essentiellement de savoir jusqu'où pouvez-vous pousser cela", a-t-il déclaré. "Si vous aviez un système dans lequel les interactions ou la non-linéarité seraient si fortes qu'un photon du système bloquerait le passage d'un deuxième photon, cela ressemblerait à une opération logique au niveau de particules quantiques uniques, qui vous mettrait dans le domaine du traitement de l’information quantique. C’est ce que nous avons essayé de réaliser, en piégeant la lumière dans des états excitoniques confinés.

 Les excitons de courte durée possèdent des charges électriques constitutives (un électron et un électron-trou), ce qui en fait de bons médiateurs des interactions entre photons. En appliquant des champs électriques pour contrôler le mouvement des excitons sur des dispositifs à hétérostructure dotés d'un flocon semi-conducteur 2D (0.7 nanomètres ou trois atomes d'épaisseur), Chervy, Murthy et al. démontrer différentes géométries de confinement, telles que les points quantiques et les anneaux quantiques. Plus important encore, ces sites de confinement sont formés à des positions contrôlables et à des énergies réglables. « La technique présentée dans cet article montre que vous pouvez décider De vous piégerez l'exciton, mais aussi à quelle énergie il sera piégé », a déclaré Chervy.

 L'évolutivité est une autre avancée majeure. "Vous voulez une architecture capable d'évoluer sur des centaines de sites", a déclaré Chervy. « C'est pourquoi le fait qu'il soit contrôlable électriquement est très important, car nous savons contrôler les tensions à grande échelle. Par exemple, les technologies CMOS sont très efficaces pour contrôler les tensions de grille sur des milliards de transistors. Et notre architecture n’est pas différente par nature de celle d’un transistor : nous conservons simplement un potentiel de tension bien défini à travers une toute petite jonction.

 Les chercheurs pensent que leurs travaux ouvrent plusieurs nouvelles directions, non seulement pour les futures applications technologiques mais aussi pour la physique fondamentale. "Nous avons montré la polyvalence de notre technique dans la définition électrique des points et des anneaux quantiques", a déclaré Jenny Hu, co-auteure principale et doctorante à l'Université de Stanford. étudiant (en Groupe de recherche du professeur Tony Heinz). « Cela nous donne un niveau de contrôle sans précédent sur les propriétés du semi-conducteur à l’échelle nanométrique. La prochaine étape consistera à étudier plus en profondeur la nature de la lumière émise par ces structures et à trouver des moyens d’intégrer ces structures dans des architectures photoniques de pointe.

 En plus de mener des recherches sur les quasi-particules et les matériaux non linéaires, les scientifiques du laboratoire PHI travaillent sur la machine d'Ising cohérente (CIM), un réseau d'oscillateurs paramétriques optiques programmés pour résoudre des problèmes mappés sur un modèle d'Ising. Les scientifiques du PHI Lab explorent également les neurosciences pour leur pertinence dans les nouveaux cadres informatiques. Dans la poursuite de ce programme ambitieux, le PHI Lab a conclu des accords de recherche conjoints avec le California Institute of Technology (Caltech), l'Université Cornell, l'Université Harvard, le Massachusetts Institute of Technology (MIT), l'Université Notre Dame, l'Université Stanford et l'Université de technologie de Swinburne. , l'Institut de technologie de Tokyo et l'Université du Michigan. Le laboratoire PHI a également conclu un accord de recherche conjoint avec le centre de recherche NASA Ames de la Silicon Valley.

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• La source: https://insidehpc.com/2024/03/ntt-research-phi-lab-scientists-achieve-quantum-control-of-excitons-in-2d-semiconductors/