Utiliser le son pour tester des appareils et contrôler des qubits

Les résonateurs acoustiques sont omniprésents dans notre quotidien. Il est fort probable que vous en teniez un dans votre main en ce moment même. La plupart des smartphones actuels utilisent des résonateurs acoustiques pour filtrer le bruit qui pourrait dégrader un signal. Ces filtres sont également utilisés dans la plupart des systèmes Wi-Fi et GPS.

Ces dispositifs peuvent malgré tout se dégrader avec le temps et il n’existe actuellement aucun moyen simple de surveiller et d’analyser activement cette dégradation.

Une équipe de chercheurs américains a développé un système qui utilise des lacunes atomiques dans le carbure de silicium pour mesurer la stabilité et la qualité des résonateurs acoustiques.

Un regard à l’intérieur des résonateurs acoustiques

Le carbure de silicium est un matériau couramment utilisé pour les systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui comprennent les résonateurs acoustiques.

« Les résonateurs en carbure de silicium, en particulier, sont connus pour avoir les meilleures performances en termes de facteur de qualité », a déclaré Sunil Bhave, professeur à l’Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering de Purdue et co-auteur de l’étude.

Les défauts de croissance cristalline tels que les dislocations et les limites de grains, ainsi que les défauts de fabrication des résonateurs comme la rugosité, le stress des attaches et les cratères à l’échelle microscopique, peuvent parfois causer des régions de concentration de stress à l’intérieur du résonateur MEMS.

Aujourd’hui, la seule façon de voir ce qui se passe à l’intérieur d’un résonateur acoustique sans le détruire est d’utiliser des rayons X super puissants et très coûteux, comme le faisceau de rayons X à large spectre du laboratoire national d’Argonne.

« Ces types de machines coûteuses et difficiles à accéder ne sont pas déployables pour effectuer des mesures ou des caractérisations dans une fonderie ou un endroit où vous fabriqueriez ou déploieriez ces dispositifs », a commenté Jonathan Dietz, étudiant en doctorat à la SEAS et co-premier auteur de l’étude.

Contrôle acoustique

Ces mêmes défauts dans le carbure de silicium peuvent également être des qubits dans un système quantique. Aujourd’hui, de nombreuses technologies quantiques s’appuient sur la cohérence des spins : combien de temps les spins resteront dans un état particulier. Cette cohérence est souvent contrôlée par un champ magnétique.

Mais avec leur technique, l’équipe de Evelyn Hu a démontré qu’ils pouvaient contrôler le spin en déformant mécaniquement le matériau avec des ondes acoustiques, obtenant une qualité de contrôle similaire à d’autres approches utilisant des champs magnétiques alternatifs.

En synthèse

Les résonateurs acoustiques, bien que stables, peuvent se dégrader avec le temps. Les chercheurs ont donc développé un système qui utilise des lacunes atomiques dans le carbure de silicium pour mesurer la stabilité et la qualité de ces dispositifs largement utilisés. De plus, ces lacunes pourraient également être utilisées pour le traitement de l’information quantique contrôlé acoustiquement, offrant une nouvelle façon de manipuler les états quantiques intégrés dans ce matériau couramment utilisé.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un résonateur acoustique ?

Un résonateur acoustique est un dispositif utilisé pour filtrer le bruit qui pourrait dégrader un signal. Ils sont couramment utilisés dans les smartphones, les systèmes Wi-Fi et GPS.

Comment les résonateurs acoustiques peuvent-ils se dégrader ?

Les résonateurs acoustiques peuvent se dégrader avec le temps en raison de défauts de croissance cristalline et de fabrication. Ces défauts peuvent causer des régions de concentration de stress à l’intérieur du résonateur.

Comment peut-on surveiller la dégradation des résonateurs acoustiques ?

Une équipe de chercheurs a développé un système qui utilise des lacunes atomiques dans le carbure de silicium pour mesurer la stabilité et la qualité des résonateurs acoustiques.

Qu’est-ce que le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium est un matériau couramment utilisé pour les systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui comprennent les résonateurs acoustiques.

Quel est le lien entre les résonateurs acoustiques et l’information quantique ?

Les lacunes atomiques dans le carbure de silicium utilisées pour mesurer la stabilité des résonateurs acoustiques pourraient également être utilisées pour le traitement de l’information quantique contrôlé acoustiquement.

Légende illustration principale : Une couche piézoélectrique (verte) prise en sandwich entre deux électrodes (jaunes) au sommet d’un résonateur acoustique en carbure de silicium (bleu). Les ondes acoustiques générées par les électrodes et la couche piézoélectrique exercent une contrainte mécanique sur le réseau, ce qui fait basculer le spin du défaut (rouge). Le spin est lu à l’aide d’un laser focalisé sur la face arrière du résonateur. (Crédit : Hu Group/Harvard SEAS)

Article : « Spin-acoustic control of silicon vacancies in 4H silicon carbide » – DOI: 10.1038/s41928-023-01029-4