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Nanowire electro-mechanical-optical systems

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Une nouvelle plateforme pour la communication quantique

Un projet financé par l'UE a ouvert la voie à des systèmes opto-électro-mécaniques susceptibles de représenter une nouvelle plateforme pour étudier les systèmes quantiques mixtes.

Technologies industrielles

La recherche dans les systèmes optomécaniques ou électromécaniques progresse à grands pas, mais les initiatives joignant ces deux domaines restent rares. Le fait de coupler des circuits micro-ondes et des cavités optiques au même résonateur mécanique ouvre la porte à de nouvelles fonctionnalités. Le projet NEMO («Nanowire electro-mechanical-optical systems»), financé par l'UE, s'est intéressé à de tels dispositifs. Ils utilisent la déformation mécanique d'un nano-objet pour accorder ses propriétés électromagnétiques et de transport. Ceci est obtenu par la pression de rayonnement sur des structures unidimensionnelles suspendues, comme des nanofils semi-conducteurs. Il est possible de contrôler les propriétés optiques, électriques et mécaniques, et d'ajouter ou d'améliorer les fonctionnalités de dispositifs nanomécaniques. NEMO a commencé par tester deux cas concernant la modulation des propriétés électriques des nanofils à l'aide de champs de gradients. Il s'agissait de nanofils soumis à de forts champs, asymétriques ou oscillant rapidement, et d'hétérostructures de nanofils couplés à des antennes en champ lointain. Les chercheurs ont réussi à contrôler le spin dans des points quantiques sur des nanofils, et à détecter le rayonnement térahertz avec des transistors à effet de champ faits de nanofils à structure hétérogène. Les scientifiques ont étudié des dispositifs dans lesquels les cavités électriques et optiques étaient couplées via le même résonateur mécanique. Ils ont ainsi étudié des systèmes optomécaniques standard à couplage capacitif avec des circuits électriques. Les travaux ont porté sur la conception d'un cristal photonique optomécanique en silicium, avec un fort couplage optique et électrique. Le point clé était la réalisation de vides condensateurs, aboutissant à un étroit contrôle électrique des propriétés optiques du dispositif. Le projet a ensuite fabriqué des nanofils de nitrure de silicium, couplés à des résonateurs LC supraconducteurs. La technique est compatible avec la fabrication de dispositifs optiques, et a conduit à de nombreux effets remarquables comme l'émission de phonons cohérents, un couplage fort intensificateur de champ, et un refroidissement proche de l'état de base pour un mode mécanique basse fréquence. La fabrication d'un dispositif couplant un nanofil de nitrure de silicium avec un circuit résonant micro-ondes ouvre la voie à un système entièrement opto-électro-mécanique. La caractéristique la plus exceptionnelle sera de faire fonctionner ces systèmes mixtes dans l'état quantique, où il est possible de contrôler chaque excitation électronique, photonique ou phononique. Les travaux de NEMO représentent une avancée notable vers les réseaux quantiques utilisant des dispositifs mixtes. Le couplage des parties optomécaniques et électromécaniques apportera les avantages des deux et permettra par exemple de réaliser des répéteurs quantiques pour la communication de qubits à longue distance.

Mots‑clés

Communication quantique, électromécanique, optomécanique, opto-électro-mécanique, nanofils

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