Le bruit électromagnétique pose un problème majeur pour les communications, incitant les opérateurs sans fil à investir massivement dans les technologies pour le surmonter. Mais pour une équipe de scientifiques explorant le domaine atomique, mesurer de minuscules fluctuations de bruit pourrait être la clé de la découverte.
« Le bruit est généralement considéré comme une nuisance, mais les physiciens peuvent apprendre beaucoup de choses en étudiant le bruit », a déclaré Nathalie de Leon, professeure agrégée de génie électrique et informatique à l’Université de Princeton. « En mesurant le bruit dans un matériau, ils peuvent apprendre sa composition, sa température, comment les électrons circulent et interagissent les uns avec les autres, et comment les spins s’ordonnent pour former des aimants. Il est généralement difficile de mesurer quoi que ce soit sur la façon dont le bruit change dans l’espace ou temps. »
À l’aide de diamants spécialement conçus, une équipe de chercheurs de Princeton et de l’Université du Wisconsin-Madison a développé une technique pour mesurer le bruit dans un matériau en étudiant les corrélations, et ils peuvent utiliser ces informations pour apprendre la structure spatiale et la nature variable dans le temps du bruit. Cette technique, qui repose sur le suivi de minuscules fluctuations des champs magnétiques, représente une nette amélioration par rapport aux méthodes précédentes qui calculaient la moyenne de nombreuses mesures distinctes.
De Leon est un chef de file dans la fabrication et l’utilisation de structures en diamant hautement contrôlées appelées centres de lacunes d’azote (NV). Ces centres NV sont des modifications du réseau d’atomes de carbone d’un diamant dans lequel un carbone est remplacé par un atome d’azote, et adjacent à celui-ci se trouve un espace vide, ou une vacance, dans la structure moléculaire. Les diamants avec des centres NV sont l’un des rares outils capables de mesurer les changements de champs magnétiques à l’échelle et à la vitesse nécessaires pour des expériences critiques en technologie quantique et en physique de la matière condensée.
Alors qu’un seul centre NV permettait aux scientifiques de prendre des lectures détaillées des champs magnétiques, ce n’est que lorsque l’équipe de Leon a mis au point une méthode pour exploiter simultanément plusieurs centres NV qu’ils ont pu mesurer la structure spatiale du bruit dans un matériau. Cela ouvre la porte à la compréhension des propriétés des matériaux avec des comportements quantiques bizarres qui jusqu’à présent n’ont été analysés que théoriquement, a déclaré de Leon, l’auteur principal d’un papier décrivant la technique publiée en ligne le 22 décembre dans la revue Science.
« C’est une technique fondamentalement nouvelle », a déclaré de Leon. « D’un point de vue théorique, il était clair qu’il serait très puissant de pouvoir faire cela. Le public qui, à mon avis, est le plus enthousiasmé par ce travail est celui des théoriciens de la matière condensée, maintenant qu’il existe tout ce monde de phénomènes qu’ils pourraient être en mesure de caractériser d’une manière différente. »
L’un de ces phénomènes est un liquide de spin quantique, un matériau exploré pour la première fois dans les théories il y a près de 50 ans et difficile à caractériser expérimentalement. Dans un liquide à spin quantique, les électrons sont constamment en flux, contrairement à la stabilité à l’état solide qui caractérise un matériau magnétique typique lorsqu’il est refroidi à une certaine température.
« La difficulté avec un liquide à spin quantique est que, par définition, il n’y a pas d’ordre magnétique statique, vous ne pouvez donc pas simplement cartographier un champ magnétique » comme vous le feriez avec un autre type de matériau, a déclaré de Leon. « Jusqu’à présent, il n’y avait pratiquement aucun moyen de mesurer directement ces corrélateurs de champ magnétique à deux points, et ce que les gens ont plutôt fait, c’est essayer de trouver des proxys compliqués pour cette mesure. »
En mesurant simultanément les champs magnétiques en plusieurs points avec des capteurs en diamant, les chercheurs peuvent détecter comment les électrons et leurs spins se déplacent dans l’espace et le temps dans un matériau. Lors du développement de la nouvelle méthode, l’équipe a appliqué des impulsions laser calibrées à un diamant contenant des centres NV, puis a détecté deux pics de comptage de photons à partir d’une paire de centres NV – une lecture des spins d’électrons à chaque centre au même moment. Les techniques précédentes auraient pris une moyenne de ces mesures, écartant des informations précieuses et rendant impossible de distinguer le bruit intrinsèque du diamant et de son environnement des signaux de champ magnétique générés par un matériau d’intérêt.
« L’un de ces deux pics est un signal que nous appliquons, l’autre est un pic de l’environnement local, et il n’y a aucun moyen de faire la différence », a déclaré le co-auteur de l’étude, Shimon Kolkowitz, professeur agrégé de physique à l’Université du Wisconsin. -Madison. « Mais lorsque nous examinons les corrélations, celle qui est corrélée provient du signal que nous appliquons et l’autre ne l’est pas. Et nous pouvons mesurer cela, ce que les gens ne pouvaient pas mesurer auparavant. »
Kolkowitz et de Leon se sont rencontrés en tant que doctorants. étudiants à l’Université de Harvard, et ont été en contact fréquemment depuis lors. Leur collaboration de recherche est apparue au début de la pandémie de COVID-19, lorsque la recherche en laboratoire a ralenti, mais la collaboration à longue distance est devenue plus attrayante car la plupart des interactions ont eu lieu sur Zoom, a déclaré de Leon.
Jared Rovny, auteur principal de l’étude et associé de recherche postdoctoral dans le groupe de Leon, a dirigé à la fois les travaux théoriques et expérimentaux sur la nouvelle méthode. Les contributions de Kolkowitz et de son équipe ont été essentielles à la conception des expériences et à la compréhension des données, a déclaré de Leon. Les coauteurs de l’article comprenaient également Ahmed Abdalla et Laura Futamura, qui ont mené des recherches d’été avec l’équipe de de Leon en 2021 et 2022, respectivement, en tant que stagiaires dans le programme Quantum Undergraduate Research at IBM and Princeton (QURIP), que de Leon a cofondé en 2019.
L’article, « Nanoscale covariance magnétometry with diamond quantum sensors », a été publié en ligne le 22 décembre dans Science.
Plus d’information:
Jared Rovny et al, Magnétométrie à covariance à l’échelle nanométrique avec capteurs quantiques en diamant, Science (2022). DOI : 10.1126/science.ade9858