EP4584802A1

EP4584802A1 - Composant magnétique, notamment composant quantique

Info

Publication number: EP4584802A1
Application number: EP23764966.0A
Authority: EP
Inventors: Sandrine LOPES; William LEGRAND; Matthieu DESJARDINS; François MONTAIGNE; Daniel Lacour; Michel Hehn
Original assignee: C12 Quantum Electronics; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National Polytechnique de Lorraine
Current assignee: C12 Quantum Electronics; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National Polytechnique de Lorraine
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2023-09-08
Publication date: 2025-07-16
Also published as: CN120019456A; WO2024052533A1; FR3139660A1; JP2025530215A

Abstract

L'invention porte sur un composant magnétique comprenant un substrat (6) supportant au moins un couple d'aimants permanents (2) s'étendant selon la première direction (X), chaque aimant (2) présentant une extrémité d'interaction (21a, 21b), les extrémités d'interaction (21a, 21b) étant disposées en vis-à-vis, le couple d'aimants (2) étant agencé pour exercer un champ magnétique antisymétrique à fort gradient de champ magnétique le long d'une deuxième direction (Z) orthogonale à la première direction (X), sous l'effet d'un champ magnétique produit par des moyens magnétiques extérieurs.

Description

COMPOSANT MAGNÉTIQUE, NOTAMMENT COMPOSANT QUANTIQUE

La présente invention concerne un composant magnétique dans le domaine de la micro et nano électronique, notamment un composant quantique. Le composant quantique est destiné notamment, mais non exclusivement, à la fabrication d’ordinateur quantique. Elle peut concerner également les domaines en spintronique, en supraconductivité topologique, pour l'actionnement magnétique de nano-éléments et de nano-billes, ou pour la détection magnétique en champ proche par sonde à balayage.
Il existe des dispositifs agencés pour générer un champ magnétique dans des directions particulières via des aimants, désignés par la personne du métier sous le terme de micro-aimants dans le domaine de la micro et nano électronique.
Un but de l’invention est de proposer une nouvelle architecture de composant magnétique permettant d’optimiser la forme du profil du champ magnétique généré par des micro-aimants, et d’améliorer ainsi les performances de ces composants.

OBJET DE L’INVENTION

A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un composant magnétique comprenant un substrat supportant au moins un couple d’aimants permanents s’étendant selon la première direction, chaque aimant présentant une extrémité d’interaction, les extrémités d’interaction étant disposées en vis-à-vis, le couple d’aimants étant agencé pour exercer un champ magnétique antisymétrique par rapport au plan X=0, à fort gradient de champ magnétique le long d’une deuxième direction orthogonale à la première direction, et un champ magnétique symétrique par rapport au plan X=0 selon la première direction (X) orthogonale aux directions Y et Z, sous l’effet d’un champ magnétique produit par des moyens magnétiques extérieurs.
Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par :
– composant quantique, un assemblage de circuits électroniques et/ou de dispositifs utilisant nanotubes en tant qu'éléments conducteurs ou semi-conducteurs de ceux-ci, les circuits ayant des points ou boîtes quantiques simples, doubles ou multiples, en série ou en parallèle, utilisant un seul nano-objet ayant des propriétés sélectionnées comme éléments de canal, ou une pluralité de nano-objets sélectionnés de manière distincte ;
- une boîte quantique, ou point quantique, une portion du nano-objet dans laquelle un électron est piégé/confiné dans les trois dimensions ; il ne peut occuper que des niveaux discrets d’énergie ;
– un nano-objet, un objet ayant au moins une de ses dimensions externes (typiquement parmi sa hauteur, largeur, épaisseur, longueur) inférieure à 100 nanomètres ; si ses trois dimensions externes (définies selon trois axes orthogonaux) sont inférieures à 100 nanomètres : c'est une nanoparticule ; si deux de ses dimensions externes (de préférence définies selon deux axes orthogonaux) sont inférieures à 100 nanomètres : c'est par exemple un nanotube creux mono ou multi-paroi et qui peut être fermé à au moins une extrémité ou une nanofibre c'est-à-dire une fibre pleine. Une nanofibre électriquement conductrice ou semi-conductrice sera dénommée par la suite un nano-fil. Si une dimension externe est inférieure à 100 nm (typiquement son épaisseur), c'est un nano-feuillet ;
– une électrode, une extrémité d'un conducteur électrique agencé pour libérer ou capter un courant électrique ;
– une électrode de grille, une électrode qui transporte un signal micro-onde et/ou qui permet de fixer les potentiels (en Volt) ;
– une électrode de grille micro-onde, une électrode de grille qui transporte et rayonne un signal micro-onde qui permet l'interaction entre une cavité micro-onde et un nano-objet ;
– une électrode de grille basse fréquence, une électrode de grille qui permet de fixer les potentiels électrostatiques et de créer une double boîte quantique ;
– un aimant, un élément magnétique qui s’aimante sous l’effet d’un champ magnétique extérieur ;
– potentiels électrostatiques permettant la formation des deux boîtes quantiques, les potentiels électrostatiques qui permettent de moduler les barrières d'énergie potentielle et de créer une double boîte quantique ;
- Couplage spin-photon, l’interaction contrôlable ou « couplage » entre l'aspect magnétique du qubit, c'est-à-dire son spin, et un champ électrique micro-onde provenant d'une cavité micro-onde. Le champ électrique étant constitué de photons, on parle de couplage spin-photon ;
- Porte quantique, une opération logique qui peut changer l'état de superposition d'un qubit. Par exemple, un qubit peut avoir une chance sur deux de se retrouver dans l'un ou l'autre des deux états ;
– champ magnétique inhomogène, un champ magnétique généré de manière à engendrer un dipôle magnétique, de préférence par une variation quelconque du champ magnétique autour et/ou le long de l’au moins un élément nano-objet ; par exemple, une composante verticale et/ou horizontale du champ magnétique change de signe le long ou autour de l’au moins un élément nano-objet, de préférence au niveau ou à l’aplomb de l’au moins une électrode de grille magnétique ; selon un exemple particulier un gradient de champ magnétique horizontal ou le long de l’au moins un élément nano-objet qui rend le champ total inhomogène le long dudit au moins un élément nano-objet, de préférence la composante du champ magnétique selon l’axe ou la direction de l’au moins un nano-objet change de signe le long de l’au moins un élément nano-objet ;
– étendue spatiale, la zone située le long et/ou autour, de préférence radialement, de l’au moins un élément nano-objet, de préférence entre les électrodes de suspension, selon un mode de réalisation une étendue correspondant à la distance entre deux boîtes quantiques ;
– substrat, un élément du composant présentant une haute résistivité, par exemple une constante diélectrique plus élevé que l’air, en particulier à basse température.
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un composant quantique comprenant :
au moins deux électrodes de suspension: une électrode source reliée à une source d’électrons et une électrode drain reliée à un potentiel de référence, prévues pour recevoir un élément quantique intégrant une double boîte quantique,
au moins trois électrodes de grille disposées entre les deux électrodes de suspension, les deux électrodes de suspension étant surélevées par rapport aux au moins trois électrode de grille,
un composant magnétique selon l’invention, prévu pour exercer un champ magnétique antisymétrique à fort gradient de champ magnétique le long d’une deuxième direction orthogonale à la première direction, sous l’effet d’un champ magnétique produit par des moyens magnétiques extérieurs, ce champ magnétique antisymétrique étant appliqué audit élément quantique.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’un composant quantique selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
-graver un substrat pour y recevoir des éléments magnétiques,
-déposer au moins un couple d’aimants s’étendant selon une première direction (X), chaque aimant présentant une extrémité d’interaction, les extrémités d’interaction étant disposées en vis-à-vis,
-graver à incidence rasante le substrat sur lequel au moins un couple d’aimants a été déposer,
-déposer une couche d’oxyde sur le substrat ainsi traité,
-déposer des électrodes de suspension et des électrodes de grille sur la couche d’oxyde.
De préférence, selon n'importe quel aspect précédent, le composant ou le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le couple d’aimants génère par lui-même un champ magnétique antisymétrique (composante suivant l'axe z) entre les deux dots (par rapport au plan x=0), et Le champ magnétique extérieur appliqué permet d’engendrer un champ symétrique entre les deux dots ;
- entre des points quantiques séparés par une distance comprise entre 60 et 120 nanomètres, ce ou ces gradients se traduisent par une composante asymétrique du champ qui peut atteindre environ 30mT ou 40mT (mili-Tesla) ;
- Si l'on considère des points placés symétriquement par rapport à la distribution du champ, les champs dans les deux points du double point quantique seront composés d'une partie symétrique et d'une partie antisymétrique.
Il est possible de définir, pour chaque composante du champ : i = u, v, w :
ou L;R renvoient respectivement au point quantique gauche (L) et droit (R). Cette définition du champ magnétique symétrique/asymétrique pour chaque composante vectorielle i (où u,v,w se réfèrent de manière équivalente aux directions dans l'espace x,y,z). Cette définition a un sens dans le contexte d'un double point quantique.
Les effets des champs parasites sur les énergies dans les parties gauche et droite du double point quantique peuvent alors être exprimés par :
où
est la densité de probabilité de présence de l'électron dans le point p (gauche ou droit), le préfacteur 2 représente le facteur de Landé du spin de l'électron et μB est le magnéton de Bohr.
Cela correspond à la définition mathématique de la constante de couplage magnétique entre l'électron dans les points quantiques et le champ magnétique symétrique, respectivement. antisymétrique. Nous verrons plus loin laquelle est considérée comme la quantité à optimiser (maximiser).
Le gradient doit donc être considéré comme une inhomogénéité entre les deux points quantiques des champs moyennés sur chaque point.
Une paire de points avec un confinement linéaire est maintenant considérée, comme on le trouve dans un double point quantique dans un nanofil. Les points sont alignés le long de x et définis entre -250nm et -150nm pour le point L, et entre 150nm et 250nm pour le point R.
Le nanofil est suspendu à z = 200 nm, au-dessus d'une couche magnétique s'étendant
sur -100nm < z < 100 nm.
Comme le champ magnétique externe est de préférence appliqué le long du nanofil, alors qu'un gradient transversal est nécessaire, nous nous basons sur une magnétisation uniforme m le long de +x.
Comme nous considérons maintenant des points situés au-dessus du système magnétique, il est utilisé :
où L et R sont échangés, par rapport à ce qui précède. La définition de Q est une quantité qui est optimisée (voir la constante de couplage précédente entre le champ magnétique et les points).
Pour garantir des formes pratiques, une contrainte est ajoutée de manière que l'aimant est homogène selon z.
Ainsi, cette optimisation consiste à décider de la présence ou de l'absence d'un aimant dans chaque ou un plusieurs cellule(s) ou d'un ou plusieurs éléments de l'épaisseur totale suivant l'axe Z à toutes les positions X et Y. Cette méthode d'optimisation de la quantité Q devient linéaire par rapport aux éléments/cellules magnétiques individuels ;
La saturation magnétique MS plus grande favorise directement des champs parasites et des gradients plus importants, elle facilite également la formation de domaines magnétiques dans les nano-aimants et nécessite donc un champ externe plus important pour atteindre la saturation.
Ce champ externe s'ajoute comme un terme
à provenant de la partie symétrique des champs parasites dans la formation des niveaux d'énergie des points.
En définissant l'inhomogénéité des champs agissant sur les points comme
,
cette valeur du facteur de mérite diminue lorsqu'un champ externe important est utilisé.
Pour optimiser l'inhomogénéité, il faut donc identifier les paires de valeurs MS et Bext qui fournissent la plus forte valeur de
Ce dernier point correspond à la définition de la contribution du champ magnétique externe à la composante symétrique.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées et dans lesquelles :

La est une représentation schématique d’un composant quantique comprenant des électrodes s’étendant sensiblement perpendiculairement aux deux séries d’aimants selon un mode de réalisation ;

La représente deux séries d’aimants parallèles les uns aux autres dans la même série et entre les deux séries, les extrémités d’aimants de la première série étant en vis-à-vis des extrémités d’aimants de la deuxième série, les deux séries d’aimants étant disposées dans le même plan ;

La est une représentation schématique de deux extrémités d’aimants en vis-à-vis et un nanotube reliant les deux extrémités selon un mode de réalisation d’un composant quantique, cette représentation étant disposée dans un repère à trois dimensions ;

la est une illustration à l’échelle nanométrique la saturation du champ magnétique aux extrémités des deux aimants ;

la montre des courbes des composantes du champ magnétique le long d’un nanotube de carbone, en particulier la distribution du champ magnétique le long d’un nanotube de carbone obtenue avec les micro-aimants conformes à la ;

la montre l'impact du champ magnétique externe sur les différentes grandeurs physiques, avec trois matériaux différents pour l'aimant.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En relation avec les figures 1 et 2, il est représenté un mode de réalisation d’un composant quantique 1 comprenant :

un substrat 6, réalisé dans un matériau à haute résistivité, par exemple ,

un dispositif magnétique 2, faisant fonction d’électrode magnétique, agencé pour générer un champ magnétique auquel le composant quantique 1 est soumis, comportant deux parties 2A,2B en forme de peigne disposées en vis-à-vis et séparés par un interstice central 22 dans lequel un champ magnétique dédié est produit,

un jeu d’électrodes de grilles 8 placées au-dessus de l’interstice central 22, ces électrodes de grille étant entourées par une électrode de source 9.1, une électrode de type cut-source 9.2, une électrode de type cut-drain 9.3, et une électrode de drain 9.4,

un nanotube ou un nanofil (non visible sur la ) relié aux électrodes de suspension, le nanotube ou le nanofil étant suspendu de manière rectiligne au-dessus des électrodes de grille et au-dessus d’un ensemble d’aimants disposés de manière sensiblement parallèle, ce nanotube ou ce nanofil étant réalisé de préférence en carbone.

Les électrodes de source et de drain sont placées sur une couche conductrice par l’intermédiaire d’une couche isolante. Elles constituent des électrodes de suspension pour le nanotube ou le nanofil et sont surélevées par rapport aux électrodes de grille. Cette disposition est spécifique à un composant quantique incluant un nanotube de carbone.

En référence à la , le dispositif magnétique 8 comprend des aimants permanents disposés en forme de deux peignes 2A,2B en vis-à-vis, un premier peigne et un deuxième peigne. Chaque peigne 2A,2B comprend une pluralité d’aimants 20A,21A ;21A,21B de forme générale rectangulaire disposés parallèlement les uns par rapport aux autres. La série d'aimants de chaque peigne est reliée suivant l'axe Z aux deux extrémités opposées du vis-à-vis.

Selon le mode de réalisation représenté, chaque peigne 2A,2B comprend 15 aimants. Chaque aimant présente une largeur de 1,5 micromètre une longueur de 8,5 micromètres. La largeur est choisie de manière à rendre les moments magnétiques parallèles aux frontières du fait des énergies dipolaires internes. De préférence, chaque aimant est espacé latéralement, selon l’axe Y, d’une distance de 0,75 micromètre. De préférence, chaque peigne 2A,2B présente une épaisseur de 400 nanomètres. De manière préférentielle, chaque aimant comprend du fer et du cobalt, de préférence à forte rémanence.

Chaque aimant 21A d’un premier peigne 2A présente, en référence aux figures 2 et 3, une extrémité d’interaction ou pôle magnétique 41A, agencé pour être en vis-à-vis d’une extrémité d’interaction ou pôle 41B d’un aimant 21B du deuxième peigne 2B. Chaque face transversale est en vis-à-vis d’une face transversale d’un aimant du deuxième peigne. De préférence, l’écartement entre deux extrémités d’interaction ou pôles d’aimants en vis-à-vis est compris entre 0,4 et 1 micromètre. L’écartement est mesuré entre les points distaux desdites extrémités d’interaction.

De préférence, chaque extrémité d’interaction présente une forme arrondie vue selon un plan à deux dimensions, ou plan longitudinal, illustré par le plan X-Y de la . En outre les figures 3, 4 et 5 illustrent les formes optimales d'un nano-aimant saturé dans le cas de points quantiques d'extension finie, en particulier la magnétisation uniforme imposée le long de x, maximisant une différence de champ Bz. De préférence la partie distale en forme arrondie, en particulier de forme ovoïde selon trois dimensions, contribue le plus à l’optimisation du champ magnétique. La forme de l’extrémité d’interaction permet d’aligner les moments magnétiques dans une seule direction.

En outre, chaque aimant 21A présente une extrémité de liaison 31A, opposée à l’extrémité d’interaction 41A. Chaque peigne 2A,2B comprend en outre une pièce de liaison 200A,200B des aimants, de manière que chaque aimant d’un peigne 2A,2B est relié à la pièce de liaison 200A,200B dudit peigne 2A,2B via l’extrémité de liaison. Selon le mode de réalisation représenté, la pièce de liaison 200A,200B présente une largeur de 4 micromètres.

Le mode de réalisation permet de proposer une forme anisotrope et de produire un champ magnétique homogène selon la direction Y à destination du nanotube. Les dimensions réduites des aimants entraînent une anisotropie de forme, les moments magnétiques ont tendance à être parallèles aux frontières en raison des énergies dipolaires internes.

De préférence les deux peignes d’aimants 2A,2B sont incrustés dans le substrat 6.

En outre, le composant quantique comprend des moyens magnétiques extérieurs (non représentés) agencés pour exercer un champ magnétique le long de la direction X. Par exemple, un tore (non représenté) entoure les électrodes et les peignes. De préférence, ce tore génère un champ magnétique entre 200 et 500 milli-Tesla.

Le composant quantique propose ainsi d’exercer un champ magnétique antisymétrique à fort gradient de champ magnétique le long de la direction Z orthogonale à la direction X, sous l’effet d’un champ magnétique généré par les moyens magnétiques extérieurs. Par exemple, selon des essais réalisés, la constante de champ antisymétrique atteint 26,8 micro-eV et la constante de champ symétrique atteint 29 micro-eV, permettant d’optimiser le couplage spin-photon.

Le composant quantique permet d’optimiser la distribution des moments magnétiques autour des boîtes quantiques, le gradient de champ magnétique, et ainsi l’interaction aimant et nano-objet ou nanotube comprenant au moins deux boîtes quantiques. De préférence, le nano-objet ou nanotube se situe au-dessus du couple d’aimant considéré d’environ 100 nanomètres.

La montre les résultats des simulations micromagnétiques d'une forme optimisée pour une composante Bz inhomogène, avec un champ externe Bext et une magnétisation le long de x. En fonction du champ magnétique externe, (a) magnétisation mx, (b) constantes de couplage symétrique (alpha s), (c) antisymétrique (alpha as) dues aux nano-aimants, et (d) le rapport entre le champ antisymétrique et le champ symétrique total

Les différentes couleurs correspondent à CoFe (ligne avec carrés), Co (ligne avec triangles) et NiFe (ligne avec cercles).

Claims

Composant magnétique comprenant un substrat (6) recevant au moins un couple d’aimants permanents s’étendant selon la première direction (X), chaque aimant présentant une extrémité d’interaction, les extrémités d’interaction étant disposées en vis-à-vis, le couple d’aimants étant agencé pour exercer un champ magnétique antisymétrique par rapport au plan X=0, à fort gradient de champ magnétique le long d’une deuxième direction (Z) orthogonale à la première direction (X), et un champ magnétique symétrique par rapport au plan X=0 selon la première direction (X) orthogonale aux directions Y et Z, sous l’effet d’un champ magnétique produit par des moyens magnétiques extérieurs.
Composant magnétique selon la revendication 1, comprenant plusieurs couples d’aimants en vis-à-vis de manière à former deux peignes.
Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque aimant présente une forme rectiligne
Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque extrémité d’interaction d’aimant présente une forme arrondie.
Composant magnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la forme arrondie est curviligne avec un rayon courbure prédéfini.
Composant magnétique selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel chaque extrémité d’aimant est arrondie selon les trois dimensions.
Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque extrémité d’interaction d’aimant présente une forme sans saillance.
Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un aimant est incrusté dans le substrat.
Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’au moins un aimant est déposé sur le substrat.
Composant quantique comprenant :
une électrode source reliée à une source d’électrons et une électrode drain reliée à un potentiel de référence, prévues pour recevoir un élément quantique intégrant une double boîte quantique,

au moins trois électrodes de grille (9.1, 9.2, 9.3, 9.4) disposées entre les deux électrodes source et drain,

un composant magnétique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, prévu pour exercer un champ magnétique antisymétrique à fort gradient de champ magnétique le long d’une deuxième direction (Z) orthogonale à la première direction (X), sous l’effet d’un champ magnétique produit par des moyens magnétiques extérieurs, ce champ magnétique antisymétrique étant appliqué audit élément quantique.
Composant quantique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les électrodes source et drain constituent des électrodes de suspension surélevées par rapport aux au moins trois électrodes de grille.
Composant quantique selon la revendication précédente, comprenant en outre au moins, à titre d’élément quantique, un élément nano-objet suspendu (11) entre les deux électrodes de suspension, et connecté électriquement à celles-ci, l’au moins un élément nano-objet étant disposé au-dessus des au moins trois électrodes de grille.
Composant quantique selon la revendication 10, comprenant en outre, à titre d’élément quantique, un gaz d’électrons localisé dans un substrat disposé entre les deux électrodes source et drain.
Composant quantique selon l’une des quatre revendications précédentes, dans lequel l’élément quantique est disposé à une distance d’environ 100 nm au-dessus de l’au moins un couple d’aimant.
Composant quantique selon l’une des cinq revendications précédentes, dans lequel les aimants d’un couple sont disposés de manière symétrique par rapport à un plan orthogonal à la direction de l’au moins un élément quantique.
Procédé de fabrication d’un composant quantique selon l’une des revendications 10 à 15, comprenant les étapes suivantes :
graver un substrat pour y recevoir des éléments magnétiques,

déposer au moins un couple d’aimants s’étendant selon une première direction (X), chaque aimant présentant une extrémité d’interaction, les extrémités d’interaction étant disposées en vis-à-vis,

graver à incidence rasante le substrat sur lequel au moins un couple d’aimants a été déposer,

déposer une couche d’oxyde sur le substrat ainsi traité,

déposer des électrodes de suspension et des électrodes de grille sur la couche d’oxyde.