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Description
I will begin with a brief introduction to optical spectroscopy in semiconductors, emphasizing the analogy between impurities and excitations in semiconductors to aspects of atomic and particle physics. In this analogy, each semiconductor is a special vacuum in which the band gap energy is equivalent to the energy threshold for the production of an electron-positron pair in the real vacuum. The electron-hole pair created by the absorption of above band gap light are of course different in that the electron and hole can have different effective masses, but we can still think of them as antiparticles which can annihilate with the emission of a photon of light.
However, all common semiconductors, including silicon upon which much of our computing, communication and entertainment technologies are based, differ from the real vacuum in that the energies of all excitations, and therefore the linewidths of all optical transitions, have as a limiting factor various inhomogeneous broadening mechanisms such as local electric and strain fields. Our discovery in 2001 that the linewidths of optical transitions in high-quality natural silicon was limited by inhomogeneous broadening due to the random placement of the three stable isotopes of silicon in the crystal lattice, and that inhomogeneous broadening could be essentially eliminated by the removal of silicon-29 and silicon-30, leaving only silicon-28, led to the coining of the phrase “semiconductor vacuum”. The availability of highly isotopically enriched silicon-28 has since led to a series of new discoveries, some of which overturned long-standing “facts” about defects in silicon.
It also led to the realization that in silicon-28, some optical transitions, which were over 100 times sharper than in the best natural silicon, could be used to optically measure and prepare electronic and nuclear spins. These spins were already recognized as some of the most promising quantum bits, or qubits, on which to base future quantum computing and communications technologies. It further led to new ideas for single spin qubits in silicon that could by prepared and measured using spin/photon conversion involving cavity quantum electrodynamics, ideas which are being actively pursued at this time.
Je commencerai par une brève introduction à la spectroscopie optique dans les semi-conducteurs, mettant l’accent sur l’analogie entre impuretés et excitations dans ceux-ci et les aspects de la physique atomique et corpusculaire. Dans cette analogie, tout semi-conducteur est un vide spécial dans lequel l’énergie de bande interdite est équivalente au seuil d’énergie pour la production d’une paire électron-positron dans le vide réel. La paire électron-trou créée par l’absorption de la lumière de bande interdite ci-dessus est bien sûr différente du fait que l’électron et le trou peuvent avoir des masses effectives différentes, mais nous pouvons encore les entrevoir à titre d’antiparticules qui peuvent annihiler l’émission d’un photon de lumière.
Cependant, tous les semi-conducteurs communs, y compris le silicium sur lequel se fonde une bonne partie de nos technologies de calcul, de communication et de divertissement, diffèrent du vide réel du fait que les énergies de toutes les excitations, et donc les largeurs de ligne de toutes les transitions optiques, ont divers mécanismes de mobilité non-homogène à titre de facteur limitatif, tels les champs locaux électriques et de contraintes. Notre découverte en 2001 de la limitation des largeurs de ligne des transitions optiques dans le silicium naturel de haute qualité, par une mobilité non-homogène en raison du placement aléatoire des trois isotopes de silicium stables dans le réseau cristallin, et du fait qu’une mobilité non-homogène pouvait essentiellement être éliminée en enlevant le silicium-29 et le silicium-30, laissant uniquement le silicium-28, a donné naissance au terme « vide semi-conducteur ». L’existence du silicium-28 hautement enrichi sur le plan isotopique a depuis amené une série de nouvelles découvertes dont quelques-unes ont renversé des « faits » de longue date sur les défauts du silicium.
Cela a aussi permis de se rendre compte que, dans le silicium-28, certaines transitions optiques, au-delà de 100 fois plus aiguës que le meilleur silicium naturel, pouvaient servir à mesurer optiquement et à préparer des spins électroniques et nucléaires. Ces spins étaient déjà reconnus comme bits quantiques, ou qubits, parmi les plus prometteurs, sur lesquels fonder les futures technologies quantiques de calcul et de communication. Cela a aussi suscité de nouvelles idées sur les qubits à spin unique dans le silicium qui pourraient être préparés et mesurés par la conversion spin/photon, employant l’électrodynamique quantique en cavité, idées que l’on poursuit activement aujourd’hui.
