Dans les semi-conducteurs, l'identification de dopants permettant de coder un qubit dans des états de spin est d'un vif intérêt pour les technologies quantiques.
Dans les semi-conducteurs zinc-blende, le couplage spin-orbite conduit à une perte de cohérence de spin. En revanche, dans les dichalcogénures de métaux de transition (2H-TMDC), la combinaison d'un fort couplage spin-orbite et de multiples vallées dans la structure de bande offre une protection contre la relaxation et la décohérence. En effet, du fait de la symétrie miroir horizontale de la structure cristalline, le spin reste un bon nombre quantique même en présence d'un fort couplage spin-orbite. De plus, les états électroniques sont caractérisés par un indice de vallée verrouillé sur l'indice de spin. Cela réduit la sensibilité du spin aux processus de diffusion car les indices de spin et de vallée doivent changer simultanément. Pour cette raison, de nombreux travaux théoriques ont considéré les états de spin-vallée hébergés dans les 2H-TMDC pour encoder des qubits.
Nous présentons une étude du dopant substitutionnel Brome BrTe dans le semiconducteur 2H-MoTe2 massif. Les mesures de résonance de spin électronique montrent que ce dopant porte un spin avec un temps de cohérence de longue durée de l'ordre de la nanoseconde. En utilisant la spectroscopie à effet tunnel, nous constatons que les fonctions d'ondes hydrogénoides associées aux niveaux de dopants ont des modulations spatiales caractéristiques qui résultent de leur hybridation aux vallées Q de la bande de conduction. A partir d'une analyse de Fourier des cartes de conductance, nous avons observé que l'amplitude et la phase des composantes de Fourier changent avec l'énergie selon les différentes représentations irréductibles du groupe de symétrie du site de l’impureté. Ces résultats démontrent pour la première fois qu'un dopant dans les TMDC peut hériter de propriétés spin-vallée verrouillées du semi-conducteur et ainsi présenter un long temps de cohérence de spin.
Étant donné que ces mesures ont été réalisées sur des cristaux massifs, nous pensons que le temps de cohérence de spin est limité par les sauts inter-couches. Ainsi, ce résultat a motivé au C2N des études STM et ESR sur des monocouches atomiques de 2H-TMDC, dopées avec différents éléments halogènes, où la protection offerte par le verrouillage spin-vallée devrait atteindre son plein potentiel.
Références
Hydrogenic Spin-Valley states in Bromine-doped 2H-MoTe2
V. Sheina1, G. Lang2, V. Stolyarov3, S. Marchenkov4, S. Naumov4, A. Perevalova4, J.C. Girard1, G. Rodary1, C. David1, L.R. Sop1, D. Pierucci1, A. Ouerghi1, J.L. Cantin5, B. Leridon2, M. Ghorbani-Asl6, A.V. Krasheninnikov6, H. Aubin1
Communications Physics 6, 1–11 (2023)
DOI : https://doi.org/10.1038/s42005-023-01244-7
Affiliations
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, France
2 Laboratoire de Physique et d'Étude des Matériaux, ESPCI, Paris, France
3 MIPT, Moscow, Russia
4 M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ekaterinburg, Russia.
5 INSP, Sorbonne-universités, Paris, France
6 Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, Dresden, Germany
Contact : Hervé Aubin
Figure : Panneau de gauche) Image topographique STM d'un dopant BrTe dans 2H-MoTe2. Panneau du milieu) Spectre de résonance de spin électronique d'un ensemble de dopants en fonction de la température. Panneau de droite) Transformée de Fourier de l'image STM.
