[Les diamants dans les technologies quantiques]

Le diamant, au-delà de sa réputation de pierre précieuse, possède des propriétés physiques et électroniques remarquables. Certaines de ses imperfections atomiques, en particulier les centres azote-lacune (NV pour nitrogen-vacancy), sont aujourd’hui au cœur de nombreuses recherches en information et capteurs quantiques.

Les diamants utilisés pour les applications quantiques sont majoritairement synthétiques, produits par deux grandes méthodes :

• HPHT (High Pressure High Temperature) : Reproduit les conditions de formation naturelles des diamants, à des pressions de plus de 5 GPa et des températures de plus de 1500 °C. On obtient un diamant polycristallin ou monocristallin, selon les conditions.
• CVD (Chemical Vapor Deposition) : Méthode préférée en recherche quantique. Elle consiste à faire croître une couche de diamant à partir de gaz carboné (souvent du méthane) sur un substrat, à basse pression et haute température. Ce procédé permet un meilleur contrôle de la pureté et du dopage (ajout d’impuretés choisies).

Les centres NV (azote-lacune) sont quant à eux formés de deux éléments :

• Un atome d’azote qui remplace un atome de carbone,
• Une lacune voisine (un site sans atome).

Ils sont créés en deux étapes. La première consiste en leur irradiation, par rayons X, faisceaux d’électrons ou ions, pour créer des lacunes ; la seconde en un recuit thermique, au cours duquel le diamant est chauffé (souvent entre 800 et 1000 °C), ce qui permet aux lacunes de migrer et de s’apparier avec les atomes d’azote.

Ces centres peuvent être neutres (NV⁰) ou chargés négativement (NV⁻), ce dernier étant le plus exploité pour ses propriétés quantiques.

Un centre NV⁻ a un spin électronique (propriété quantique) qui peut être manipulé et lu optiquement, même à température ambiante. Cela en fait un système quantique à deux niveaux particulièrement stable. Ses principales caractéristiques reposent sur des temps de cohérence (pendant lequel le spin reste corrélé) longs, une lecture optique et une manipulation micro-ondes permettant de faire évoluer l’état de spin selon des protocoles précis.

Les centres NV sont par ailleurs extrêmement sensibles aux variations de champs, qu’il s’agisse des champs magnétiques utilisés pour l’imagerie magnétique de précision, les champs électriques et température pour des mesures locales très fines ou les pression et déformation, dans des environnements extrêmes.

Le spin des centres NV peut stocker de l’information quantique (qubit). Des efforts sont en cours pour les utiliser comme mémoires quantiques, avec des connexions par photons entre plusieurs centres.

Le diamant peut émettre des photons intriqués ou contrôlés, utiles pour les réseaux quantiques. Les centres NV peuvent être intégrés dans des nanocavités optiques pour maximiser leur couplage avec la lumière.

Bien que le diamant ne soit pas encore au centre de grands calculateurs quantiques, il est étudié pour des architectures hybrides, où les centres NV interagissent avec des résonateurs ou d’autres qubits (supraconducteurs, ions piégés…).

Ainsi, le diamant, matériau noble par excellence, trouve aujourd’hui une nouvelle jeunesse dans les sciences quantiques. Sa synthèse maîtrisée et la création contrôlée de défauts permettent de concevoir des capteurs et des composants aux performances inégalées, et souvent à température ambiante. L’alliance de ses qualités mécaniques, optiques et quantiques en fait un support d’avenir pour la métrologie, les télécommunications et l’informatique quantique.

La start-up HiQuTe Diamond, par exemple, fabrique des diamants aux caractéristiques contrôlées par un procédé de synthèse développé au LSPM (CNRS), reposant sur un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPACVD). L’irradiation de ces diamants est réalisée à Cherbourg, par ATRON METROLOGY. Les applications visées sont, entre autres, les capteurs quantiques, l’électronique de puissance et la détection de particules.