Thèse Exploration des Propriétés de Spin de Centres Colorés Individuels dans le Silicium H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : L2C - Laboratoire Charles Coulomb Direction de la thèse : Isabelle ROBERT-PHILIP ORCID 0000000215862194 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-16T23:59:59 Depuis la récente isolation à l'échelle individuelle de défauts fluorescents du silicium, le domaine de recherche lié aux technologies quantiques à base de centres colorés individuels du silicium est en plein essor. Grâce à la forte maturité de la plateforme silicium, des progrès rapides ont été atteints en seulement quelques années sur l'ingénierie et l'intégration en cavités photoniques de ces émetteurs de photons uniques dans le domaine télécom. Cependant, un des challenges majeurs reste le contrôle des états de spin de ces centres colorés individuels, afin de pouvoir les utiliser comme qubits de mémoire dans le silicium, tout en étant couplés à des photons uniques permettant l'échange d'information quantique sur de grandes distances.

Le but de ce projet de thèse est d'explorer le degré de liberté de spin de défauts fluorescents individuels du silicium, afin de les utiliser comme qubits de spin interfacés avec des photons uniques télécom. Le premier objectif est de comprendre les mécanismes permettant la détection optique des résonances de spin et d'optimiser le contrôle cohérent des états de spin électronique de défauts individuels. L'étape suivante consistera à utiliser le spin électronique comme qubit auxiliaire pour initialiser et lire l'état de spins nucléaires individuels, qu'ils soient intrinsèques à la structure atomique des défauts ou présents dans leur environnement proche. Le but est d'étudier les mécanismes limitant les temps de cohérence des spins nucléaires et de démontrer qu'ils peuvent être utilisés comme qubits de mémoire robustes avec une interface optique dans le silicium. Enfin, le dernier objectif est de développer une interface spin-photon à partir de transitions optiques résonantes sélectives avec l'état de spin nucléaire, afin d'ouvrir, à plus long terme, des perspectives pour la génération d'intrication spin-photon.
Bien que les défauts fluorescents du silicium aient été étudiés de manière exhaustive pendant plus d'un demi-siècle, leur étude à l'échelle individuelle a débuté seulement récemment, avec la première détection optique d'un défaut unique dans le silicium démontré en 2020 [1]. En plus d'être hébergés dans une plateforme adaptée aux procédés industriels CMOS de nanofabrication à large échelle, ces centres colorés émettent des photons uniques dans le domaine infrarouge, comprenant les longueurs d'onde télécom adaptées à la propagation dans les fibres optiques sur de grandes distances. Motivées par les applications potentielles pour les communications quantiques et la photonique quantique intégrée, ce champ de recherche est en plein essor. En cinq ans, plus de onze familles de centres colorés individuels ont été isolées à l'échelle individuelle dans le silicium [2,3]. Grâce au haut degré de maturité des procédés de nanofabrication du silicium, l'intégration de défauts uniques dans des cavités photoniques a démontrée une exaltation de l'émission de photons uniques par effet Purcell pour cinq types de défauts différents. L'ingénierie de centres colorés individuels avec un positionnement déterministe a été démontrée par faisceaux d'ions focalisés, implantation ionique au travers de masques avec des nanotrous ou encore par écriture laser.
Certains de ces défauts possèdent un spin électronique non nul dont l'état peut être initialisé par excitation laser et lu par mesure de l'intensité de photoluminescence [4]. Au cours des deux dernières années, le contrôle cohérent du spin électronique a été démontré à l'échelle du défaut unique pour trois familles de défauts, dont le fameux centre G du silicium [5]. Un des challenges majeurs de ce domaine de recherche est de pouvoir utiliser le spin de ces centres colorés individuels du silicium comme mémoire quantique, tout en étant couplés à des photons uniques capables d'échanger de l'information quantique sur de grandes distances.