Détecter des spins avec un compteur de photons uniques

Publié par Adrien le 05/01/2022 à 09:00
Source: CEA

(c) agsandrew
Selon des chercheurs du CEA-Iramis, il devient possible de détecter des spins grâce à une méthode originale utilisant un capteur de photons uniques insensible au bruit. Une avancée majeure pour la mesure de bits quantiques de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) ou leur conversion en photons.

La technique reine pour sonder les spins électroniques est la Résonance paramagnétique électronique (La résonance paramagnétique électronique (RPE) est une technique de mesure physique...) (RPE, voir ci-dessous) mais sa sensibilité ne permet pas de sonder un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de spins.

Grâce à leur expérience dans le domaine des circuits supraconducteurs, des physiciens de l'Iramis étaient parvenus à abaisser la sensibilité de détection en RPE à une dizaine d'électrons pour un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'intégration d'une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...). Pour aller au-delà, il était nécessaire de s'affranchir des fluctuations quantiques de l'état d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) la plus faible possible (dite du point (Graphie) zéro). C'est la prouesse que réalisent aujourd'hui les chercheurs en recourant au comptage de photons.

Ils couplent à une cavité résonante quelques milliers de spins électroniques d'impuretés implantées dans du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). Cette configuration permet à ces systèmes quantiques à deux niveaux d'énergie proches de se désexciter, par effet Purcell, en émettant des photons microonde uniques. Ce tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) petit nombre de photons peut alors être détecté grâce à un astucieux détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) de photons microonde uniques (voir ci-dessous).

Cette sensibilité remarquable, en rupture avec celle de la RPE classique, ouvre la voie à de multiples applications tant pour le traitement quantique de l'information que pour l'analyse d'objets biologiques individuels comme des cellules ou des protéines.

RPE, mode d'emploi

La RPE (Résonance paramagnétique électronique) est l'analogue pour les spins électroniques de la RMN (Résonance magnétique nucléaire) pour les spins nucléaires. Elle consiste à sonder l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...), en présence d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), grâce à deux impulsions radiofréquence successives et à détecter "l'écho de spin" émis en réponse. La fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des oscillations étant modifiée par les interactions avec les noyaux les plus proches, le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) de RPE apporte des informations sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) chimique des électrons sondés dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...).

Un astucieux détecteur de photons microonde uniques

Les photons microonde de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une molécule...) émis par les spins électroniques font transiter un bit quantique supraconducteur dans son état excité, ce qui déclenche la possibilité de détection avec une grande fidélité et un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) quasi-nul.

Références:
Electron spin resonance spectroscopy with femtoliter detection volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...), Applied Physics Letters
Irreversible qubit-photon coupling for the detection of itinerant microwave photons, Physical Review X
Detecting spins by their fluorescence with a microwave photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) counter, Nature
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