Dans des espaces plus petits qu’une longueur d’onde de lumière, les courants électriques sautent de point à point et les champs magnétiques s’enroulent en spirale à travers les réseaux atomiques d’une manière qui défie l’intuition. Les scientifiques n’ont jamais pu qu’imaginer observer directement ces merveilles.
Désormais, des chercheurs de Princeton ont développé un capteur quantique à base de diamant qui révèle de riches nouvelles informations sur les phénomènes magnétiques à cette échelle minuscule. La technique dévoile des fluctuations qui échappent aux instruments existants et fournit un aperçu crucial sur des matériaux comme le graphène et les supraconducteurs. Les supraconducteurs ont permis les outils d’imagerie médicale les plus avancés d’aujourd’hui et constituent la base de technologies espérées comme les lignes électriques sans perte et les trains lévitant.
Les méthodes de détection sous-jacentes basées sur le diamant sont en développement depuis cinq ans. Mais dans un article publié dans Nature, l’équipe a rapporté une sensibilité environ 40 fois supérieure aux techniques précédentes.
Nathalie de Leon, professeure associée en génie électrique et informatique et auteure principale de l’article, a expliqué que la nouvelle technique offre aux chercheurs un moyen d’observer directement la structure de « très petits champs magnétiques et à de très petites échelles de longueur« . Cela permet une mesure sans précédent et révèle des détails sur les fluctuations magnétiques qui se cachent dans les données statistiques des approches plus conventionnelles.
« Vous avez cette toute nouvelle sorte de terrain de jeu« , a t-elle déclaré. « On ne peut simplement pas voir ces choses avec les techniques traditionnelles.«
Une nouvelle façon d’étudier les vrais matériaux quantiques
La nouvelle technique de son équipe repose sur des défauts conçus près de la surface d’un diamant cultivé en laboratoire. Ces diamants, de la taille d’un gros flocon de sel marin, sont bien plus purs que les diamants naturels, et les défauts qui y sont introduits sont extrêmement petits, un atome manquant dans un réseau de milliards. Mais parce que ces défauts interagissent fortement avec les champs magnétiques, et parce qu’ils peuvent être soigneusement conçus, ils constituent d’excellents capteurs magnétiques.
Typiquement, ces capteurs sont traités comme des points individuels dans l’espace. Dans cette dernière avancée, l’équipe ont construit un système qui implante deux de ces défauts extrêmement proches l’un de l’autre, permettant aux défauts d’interagir de manière quantique qui, à la surprise des chercheurs, a rendu le système global bien plus performant.
« C’est une façon très nouvelle de faire fonctionner ce capteur quantique qui nous permet de sonder quelque chose qui n’était pas possible auparavant« , a souligné Philip Kim, physicien expérimental à Harvard qui n’a pas participé à cette étude. D’autres techniques tentant d’obtenir cette information étaient limitées à des réseaux soigneusement construits d’atomes, pas à de vrais matériaux, a-t-il ajouté. La nouvelle technique permet aux scientifiques de sonder directement les vrais matériaux. « C’est là que réside l’importance.«
Kim travaille maintenant avec Nathalie de Leon en utilisant des techniques complémentaires dans son laboratoire, où il étudie la physique de la matière condensée. Plus précisément, il examine les supraconducteurs qui peuvent être refroidis par de l’azote liquide à leurs températures critiques, et le graphène, un matériau qui promet des utilisations semblant fantastiques mais qui s’est avéré difficile à concevoir à grande échelle.
L’intrication quantique révèle les signaux dans le bruit
Pour créer le nouveau capteur, les chercheurs ont projeté des molécules d’azote se déplaçant à plus de 30 000 pieds par seconde sur le diamant. Lorsqu’une molécule frappe la surface dure du diamant avec autant d’énergie, la molécule se brise, envoyant ses deux atomes d’azote, non plus chimiquement liés, filant dans des directions séparées dans la structure cristalline du diamant.
En contrôlant précisément l’énergie de la molécule lorsqu’elle percute le diamant, les chercheurs peuvent contrôler la profondeur de pénétration des atomes d’azote. Dans ce cas, ils percent au-delà de quelques dizaines d’atomes de carbone et s’arrêtent à environ 20 nanomètres sous la surface, se reposant à environ 10 nanomètres l’un de l’autre. Cette séparation extrêmement petite permet aux deux atomes d’interagir entre eux de manière à donner naissance à l’intrication quantique, une propriété si étrangère à l’expérience humaine qu’Albert Einstein l’a un jour raillée comme une « action fantôme à distance.
Lorsqu’ils sont intriqués, les électrons de ces deux atomes d’azote commencent à agir de manière synchronisée. La mesure de l’un révèle une mesure parfaitement corrélée dans l’autre. Parce qu’ils représentent toujours des points distincts, comme deux yeux, les capteurs intriqués peuvent trianguler des signatures dans les fluctuations bruyantes et se diriger efficacement vers la source du bruit.
À cette échelle, entre l’échelle atomique et la longueur d’onde de la lumière visible, Nathalie de Leon a indiqué que les scientifiques veulent mesurer des quantités auparavant invisibles, comme la distance parcourue par un électron à travers un matériau avant de rebondir sur une autre particule, ou l’évolution des vortex magnétiques qui apparaissent dans les matériaux supraconducteurs dans des conditions spéciales.
« Cette plage est, en fait, l’échelle de longueur d’intérêt« , a précisé Kim. « Une bonne plage où l’on peut comprendre beaucoup de choses intéressantes.«
Une faiblesse dans le capteur mène à un avantage quantique
La percée qui a conduit à ce capteur intriqué est venue de Jared Rovny, qui a commencé à travailler avec de Leon en 2020 en tant que l’un des premiers boursiers postdoctoraux de l’initiative quantique de Princeton.
La pandémie de COVID-19 avait limité l’accès au laboratoire lorsque Jared Rovny a commencé. Alors, comme beaucoup de ses pairs, il s’est mis à travailler sur des idées qui ne nécessitaient pas de configurations expérimentales en personne. Les deux scientifiques ont décidé de creuser la théorie autour du bruit magnétique et de voir s’il y avait des moyens d’utiliser les défauts du diamant, appelés centres lacune-azote, pour détecter des corrélations dans le bruit magnétique qui bourdonne en arrière-plan de la physique de la matière condensée.
« Cela a commencé comme un de ces projets théoriques bizarres du Covid« , a raconté Nathalie de Leon. À l’époque, la détection des corrélations dans le bruit magnétique n’était pas un sujet de conversation scientifique, a-t-elle poursuivi. En fait, ils ont commencé le projet par pure curiosité, sans savoir où cela mènerait. « Ce n’est qu’après avoir commencé à le formaliser que nous avons réalisé à quel point c’était puissant.«
Rovny avait une formation en résonance magnétique nucléaire, ou RMN, dans laquelle les particules en interaction et leurs corrélations étaient au cœur de ses recherches. Cela a alimenté sa curiosité et a permis au projet de prendre un tournant plus sérieux.
Ce côté RMN en moi pensait toujours aux interactions, a confié Jared Rovny. Il y avait un tas d’idées physiques différentes que je voulais explorer et qui avaient à voir avec l’interaction de ces choses, pas les laisser séparées. Il est maintenant physicien chez la startup d’informatique quantique Logiqal.
Au début, en collaboration avec Shimon Kolkowitz, un physicien atomique à l’Université du Wisconsin-Madison (maintenant à l’Université de Californie-Berkeley), ils ont examiné les corrélations entre deux centres qui n’étaient pas intriqués. Bien que ces méthodes aient conduit à des découvertes intéressantes, et un article de 2022 dans Science, elles étaient aussi techniquement lourdes et d’une complexité prohibitive pour la plupart des utilisations expérimentales.
Ce que j’ai réalisé, c’est que si on les intriquait, a ajouté Jared Rovny, en référence aux centres lacune-azote, la présence ou l’absence d’une corrélation met en quelque sorte son empreinte sur le système.
Cette empreinte leur a permis de contourner les problèmes les plus encombrants et leur a donné l’avantage de deux capteurs pour à peu près le coût d’un seul. « Maintenant, tout ce que je dois faire, c’est une seule mesure, a conclu Nathalie de Leon, une seule mesure normale.«
Article : Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Princeton U.
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