Faits marquants scientifiques 2023

Les cristaux ioniques à large bande interdite, et donc transparents pour la lumière visible, présentent des états électroniques bien spécifiques au niveau des défauts cristallins (lacune ou interstitiel). Ces "centres colorés" sont optiquement actifs et leur excitation produit une absorption de la lumière dans le domaine visible, responsable de la coloration des cristaux (reconnus alors comme "pierres précieuses"). Comprendre le mécanisme de création de ces centres colorés est important pour maîtriser leur utilisation en tant qu’émetteur ou détecteur de lumière, et également pour la manipulation de leurs propriétés de spin, et leur utilisation potentielle en tant que bit quantique (qubit) pour les applications en informatique quantique.

Dans le nitrure d’aluminium (AlN, présentant un gap de ~ 6 eV), le défaut complexe neutre, constitué d'une lacune / oxygène (V_Al-O_N), présente les caractéristiques nécessaires pour porter un qubit (système à 2 niveaux). Un tel centre peut se former au cours de la croissance du matériau en présence d’impuretés contenant de l’oxygène ou par irradiation ionique.

Les chercheurs du CIMAP ont étudié la formation de ce type de centre coloré par irradiation en utilisant les ions lourds rapides (SHI) du GANIL. Les irradiations sont réalisées sous différentes atmosphères contrôlées (vide, pression partielle d’oxygène ou de gaz rare) pour étudier les effets couplés de la création de défauts ponctuels et l’introduction/diffusion d'impuretés dans la couche d'AlN. Par un réglage fin de l'atmosphère d'irradiation, l'activation ou l'inhibition de ces centres colorés peuvent être contrôlées.

Les alliages à "haute entropie" forment une nouvelle classe de matériaux cristallins, qui se caractérise par des variations aléatoires dans la composition chimique de chaque maille, sans altérer l’ordre géométrique à longue distance. Constitués d'un mélange de type "solution solide" d'au moins 4 métaux, ces matériaux au désordre partiel (chimique) possèdent des propriétés thermiques qui relèvent à la fois des cristaux, avec des modes de vibrations thermiques (phonons) bien définis, et des verres, avec une longueur de propagation de ces phonons bien plus courte que celles des cristaux.

Ces cristaux chimiquement désordonnés présentent ainsi une faible conductivité thermique, qui pourrait être exploitée en thermoélectricité (conversion directe de chaleur en électricité par effet Seebeck).