Les capteurs quantiques, qui détectent les variations les plus infimes des champs magnétiques ou électriques, ont permis des mesures de précision en science des matériaux et en physique fondamentale. Mais ces capteurs n’ont été capables de détecter que quelques fréquences spécifiques de ces champs, limitant leur utilité. Maintenant, des chercheurs du MIT ont développé une méthode permettant à ces capteurs de détecter toute fréquence arbitraire, sans perte de leur capacité à mesurer des caractéristiques à l’échelle nanométrique.
La nouvelle méthode, pour laquelle l’équipe a déjà déposé une demande de protection par brevet, est décrite dans la revue Examen physique Xdans un article de l’étudiant diplômé Guoqing Wang, du professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires et de physique Paola Capellaro, et de quatre autres au MIT et au Lincoln Laboratory.
Les capteurs quantiques peuvent prendre plusieurs formes ; ce sont essentiellement des systèmes dans lesquels certaines particules sont dans un état d’équilibre si délicat qu’elles sont affectées par des variations même infimes des champs auxquels elles sont exposées. Ceux-ci peuvent prendre la forme d’atomes neutres, d’ions piégés et de spins à l’état solide, et la recherche utilisant de tels capteurs s’est rapidement développée. Par exemple, les physiciens les utilisent pour étudier des états exotiques de la matière, y compris les soi-disant cristaux temporels et les phases topologiques, tandis que d’autres chercheurs les utilisent pour caractériser des dispositifs pratiques tels que la mémoire quantique expérimentale ou les dispositifs de calcul. Mais de nombreux autres phénomènes intéressants couvrent une gamme de fréquences beaucoup plus large que ce que les capteurs quantiques actuels peuvent détecter.
Le nouveau système mis au point par l’équipe, qu’ils appellent un mélangeur quantique, injecte une seconde fréquence dans le détecteur à l’aide d’un faisceau de micro-ondes. Cela convertit la fréquence du champ étudié en une fréquence différente – la différence entre la fréquence d’origine et celle du signal ajouté – qui est accordée à la fréquence spécifique à laquelle le détecteur est le plus sensible. Ce processus simple permet au détecteur de se positionner sur n’importe quelle fréquence souhaitée, sans perte de résolution spatiale à l’échelle nanométrique du capteur.
Dans leurs expériences, l’équipe a utilisé un dispositif spécifique basé sur un réseau de centres de lacunes d’azote dans le diamant, un système de détection quantique largement utilisé, et a démontré avec succès la détection d’un signal avec une fréquence de 150 mégahertz, en utilisant un détecteur qubit avec une fréquence de 2,2 gigahertz – une détection qui serait impossible sans le multiplexeur quantique. Ils ont ensuite effectué des analyses détaillées du processus en dérivant un cadre théorique, basé sur la théorie de Floquet, et en testant les prédictions numériques de cette théorie dans une série d’expériences.
Bien que leurs tests aient utilisé ce système spécifique, dit Wang, « le même principe peut également être appliqué à tout type de capteurs ou d’appareils quantiques ». Le système serait autonome, le détecteur et la source de la deuxième fréquence étant tous regroupés dans un seul appareil.
Wang dit que ce système pourrait être utilisé, par exemple, pour caractériser en détail les performances d’une antenne hyperfréquence. « Il peut caractériser la répartition du champ [generated by the antenna] avec une résolution à l’échelle nanométrique, c’est donc très prometteur dans cette direction », dit-il.
Il existe d’autres moyens de modifier la sensibilité en fréquence de certains capteurs quantiques, mais ceux-ci nécessitent l’utilisation de gros appareils et de puissants champs magnétiques qui brouillent les détails fins et rendent impossible l’obtention de la très haute résolution offerte par le nouveau système. Dans de tels systèmes aujourd’hui, dit Wang, « vous devez utiliser un champ magnétique puissant pour régler le capteur, mais ce champ magnétique peut potentiellement briser les propriétés du matériau quantique, ce qui peut influencer les phénomènes que vous souhaitez mesurer ».
Le système peut ouvrir de nouvelles applications dans les domaines biomédicaux, selon Cappellaro, car il peut rendre accessible une gamme de fréquences d’activité électrique ou magnétique au niveau d’une seule cellule. Il serait très difficile d’obtenir une résolution utile de ces signaux en utilisant les systèmes de détection quantiques actuels, dit-elle. Il peut être possible d’utiliser ce système pour détecter les signaux de sortie d’un seul neurone en réponse à certains stimuli, par exemple, qui incluent généralement beaucoup de bruit, ce qui rend ces signaux difficiles à isoler.
Le système pourrait également être utilisé pour caractériser en détail le comportement de matériaux exotiques tels que les matériaux 2D qui sont intensément étudiés pour leurs propriétés électromagnétiques, optiques et physiques.
Dans le cadre de travaux en cours, l’équipe explore la possibilité de trouver des moyens d’étendre le système pour pouvoir sonder une gamme de fréquences à la fois, plutôt que le ciblage à fréquence unique du système actuel. Ils continueront également à définir les capacités du système à l’aide de dispositifs de détection quantique plus puissants au Lincoln Laboratory, où certains membres de l’équipe de recherche sont basés.
Guoqing Wang et al, Détection de champs de fréquence arbitraire à l’aide d’un mélangeur quantique, Examen physique X (2022). DOI : 10.1103/PhysRevX.12.021061
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.