La manipulation des atomes dans le silicium danse au rythme d’une «valse atomique»

Dans leur course à la suprématie quantique, les scientifiques ont exploré différentes architectures, dont l’une est le qubit – l’unité de base du traitement de l’information quantique – à l’état solide. Mais comment fabriquer un qubit? Les réalisations technologiques de l’industrie dans la fabrication du silicium, ainsi que les avantages fondés sur les propriétés du silicium lui-même, se sont concentrés sur les spins nucléaires des atomes donneurs chargés positivement au sein du silicium cristallin. La construction de tels qubits constitue toutefois un défi, l’un des principaux obstacles étant le positionnement précis de ces impuretés donneuses, appelées dopants, qui sont ajoutées en quantités infimes pour altérer les propriétés du silicium.

Une équipe de recherche internationale dirigée par l’université de Vienne, en Autriche, a étudié le comportement des dopants du groupe V – phosphore, arsenic, antimoine et bismuth – dans le silicium sous irradiation électronique. Grâce à un soutien partiel du projet ATMEN financé par l’UE, l’équipe a découvert un moyen non destructif de déplacer avec une précision atomique les atomes dopants dans un réseau de silicium. Dans ce nouveau mécanisme appelé échange indirect, deux atomes de silicium voisins sont impliqués dans ce qu’un article publié par l’université sur le site «Phys.org» décrit comme «une “valse” atomique coordonnée». Publiés dans «The Journal of Physical Chemistry C», les résultats de l’équipe pourraient constituer une clé pour fabriquer des qubits à l’état solide.

Pour obtenir ces résultats, les chercheurs ont eu recours à la microscopie électronique à transmission à balayage (METB), une technique qui utilise un faisceau d’électrons focalisé pour manipuler avec une précision atomique des matériaux fortement liés. «La force spécifique de cette technique réside dans sa capacité à accéder non seulement aux atomes de surface, mais aussi aux impuretés au sein de minces cristaux de masse», observe l’auteur principal, le professeur adjoint Toma Susi, de l’université de Vienne. «Il ne s’agit pas seulement d’une possibilité théorique: la première preuve de principe de la manipulation de dopants au bismuth dans le silicium a récemment été apportée par nos collaborateurs américains.»

L’équipe a constaté, dans le mécanisme d’échange indirect observé, un effet d’entraînement dans lequel l’atome dopant prend la position du réseau que l’atome de silicium impacté occupait initialement. Cependant, contrairement à ce qui se passe avec des matériaux tels que le graphène, l’atome de silicium ne se retrouve pas voisin de l’impureté donneuse. Il devient plutôt son deuxième plus proche voisin, déplaçant un autre atome de silicium.Toutefois, ce processus ne fonctionne qu’avec les deux dopants les plus lourds du groupe V, l’antimoine et le bismuth. Avec les deux plus légers, l’arsenic et le phosphore, les simulations n’ont révélé aucun échange indirect. «Bien que ce mécanisme ne fonctionne que pour les deux éléments donneurs les plus lourds, le bismuth et l’antimoine, il était essentiel de déterminer qu’il n’est pas destructif, car aucun atome ne doit être retiré du réseau», souligne l’auteur principal, le Dr Alexander Markevich, également de l’université de Vienne.

La manipulation du dopant bismuth ayant été démontrée, l’équipe a ensuite prouvé à l’aide de la METB, et pour la première fois, que les impuretés d’antimoine pouvaient être manipulées avec succès dans une fine plaque cristalline de silicium. Quelles sont donc les implications pour la fabrication de qubits? Toma Susi explique: «Très récemment, les dopants de l’antimoine dans le silicium ont été évoqués comme étant des candidats prometteurs pour les qubits de spin nucléaire à l’état solide, et notre travail pourrait ouvrir une voie pour leur fabrication déterministe.» Le projet ATMEN (Atomic precision materials engineering) prend fin en septembre 2022.

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projet ATMEN