En affinant la densité de spin dans certains matériaux, les chercheurs pourraient être en mesure de développer de nouveaux capteurs quantiques ou des simulations quantiques. —

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et d’ailleurs a trouvé un moyen d’ajuster la densité de spin dans le diamant, en la modifiant d’un facteur deux, en appliquant un laser externe ou un faisceau micro-ondes. La découverte, rapportée cette semaine dans le journal PNAS, pourraient ouvrir de nombreuses nouvelles possibilités pour les dispositifs quantiques avancés, selon les auteurs. L’article est une collaboration entre les étudiants actuels et anciens des professeurs Paola Cappellaro et Ju Li au MIT, et des collaborateurs du Politecnico de Milan. Le premier auteur de l’article, Guoqing Wang PhD ’23, a travaillé sur sa thèse de doctorat dans le laboratoire de Cappellaro et est maintenant postdoc au MIT.

Un type spécifique de défaut de spin connu sous le nom de centre de lacune d’azote (NV) dans le diamant est l’un des systèmes les plus étudiés pour son utilisation potentielle dans une grande variété d’applications quantiques. Le spin des centres NV est sensible à toute perturbation physique, électrique ou optique, ce qui en fait des détecteurs potentiellement très sensibles. “Les défauts de spin à l’état solide sont l’une des plates-formes quantiques les plus prometteuses”, explique Wang, en partie parce qu’ils peuvent fonctionner dans des conditions ambiantes et à température ambiante. De nombreux autres systèmes quantiques nécessitent des environnements ultrafroids ou d’autres environnements spécialisés.

“Les capacités de détection à l’échelle nanométrique des centres NV les rendent prometteurs pour sonder la dynamique dans leur environnement de spin, manifestant une riche physique quantique à plusieurs corps encore à comprendre”, ajoute Wang. “Un défaut de spin majeur dans l’environnement, appelé centre P1, peut généralement être 10 à 100 fois plus peuplé que le centre NV et peut donc avoir des interactions plus fortes, ce qui les rend idéaux pour étudier la physique à plusieurs corps.”

Mais pour ajuster leurs interactions, les scientifiques doivent être capables de modifier la densité de spin, ce qui était rarement réalisé auparavant. Avec cette nouvelle approche, dit Wang, “Nous pouvons régler la densité de spin afin qu’elle fournisse un bouton potentiel pour régler réellement un tel système. C’est la principale nouveauté de notre travail.”

Un tel système accordable pourrait fournir des moyens plus flexibles d’étudier l’hydrodynamique quantique, dit Wang. Plus immédiatement, le nouveau processus peut être appliqué à certains dispositifs de détection quantique à l’échelle nanométrique existants afin d’améliorer leur sensibilité.

Li, qui occupe un poste conjoint dans les départements de science et génie nucléaires et de science et génie des matériaux du MIT, explique que les ordinateurs et les systèmes de traitement de l’information d’aujourd’hui sont tous basés sur le contrôle et la détection des charges électriques, mais certains dispositifs innovants commencent à être utilisés de la propriété appelée spin. La société de semi-conducteurs Intel, par exemple, a expérimenté de nouveaux types de transistors qui associent spin et charge, ouvrant potentiellement la voie à des dispositifs basés sur la spintronique.

“Les transistors CMOS traditionnels consomment beaucoup d’énergie”, explique Li, “mais si vous utilisez le spin, comme dans cette conception Intel, vous pouvez réduire considérablement la consommation d’énergie.” La société a également développé des dispositifs qubit de spin à l’état solide pour l’informatique quantique, et “le spin est quelque chose que les gens veulent contrôler dans les solides car il est plus économe en énergie, et c’est aussi un vecteur d’informations quantiques”.

Dans l’étude de Li et ses collègues, le niveau de contrôle nouvellement atteint sur la densité de spin permet à chaque centre NV d’agir comme une sorte de “radar” à l’échelle atomique qui peut à la fois détecter et contrôler les spins à proximité. “Nous utilisons essentiellement un défaut NV particulier pour détecter les spins électroniques et nucléaires environnants. Ce capteur quantique révèle l’environnement de spin à proximité et comment cela est affecté dynamiquement par le flux de charge, qui dans ce cas est pompé par le laser”, explique Li.

Ce système permet de modifier dynamiquement la concentration de spin d’un facteur deux, dit-il. Cela pourrait finalement conduire à des dispositifs où un seul défaut ponctuel ou un seul atome pourrait être l’unité de calcul de base. “À long terme, un défaut ponctuel unique, et le spin localisé et la charge localisée sur ce défaut ponctuel unique, peuvent être une logique informatique. Cela peut être un qubit, cela peut être une mémoire, cela peut être un capteur ” il dit.

Il ajoute qu’il reste encore beaucoup à faire pour développer ce nouveau phénomène. “Nous n’en sommes pas encore exactement là”, dit-il, mais ce qu’ils ont démontré jusqu’à présent montre qu’ils ont “vraiment poussé la mesure et le contrôle de l’état de rotation et de charge des défauts ponctuels à un niveau sans précédent. Ainsi, dans le à long terme, je pense que cela soutiendrait l’utilisation d’un défaut individuel, ou d’un petit nombre de défauts, pour devenir les dispositifs de traitement et de détection de l’information.”

Dans ce travail jusqu’à présent, dit Wang, “nous trouvons ce phénomène et nous le démontrons”, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pleinement le mécanisme physique de ce qui se passe dans ces systèmes. “Notre prochaine étape consiste à creuser plus profondément dans la physique, nous aimerions donc mieux savoir quel est le mécanisme physique sous-jacent” derrière les effets qu’ils voient. À long terme, “avec une meilleure compréhension de ces systèmes, nous espérons explorer davantage d’idées de simulation et de détection quantiques, telles que la simulation d’une hydrodynamique quantique intéressante, et même le transport d’informations quantiques entre différents défauts de spin.”

Les découvertes ont été rendues possibles, en partie, par le développement par l’équipe d’une nouvelle configuration d’imagerie à champ large qui leur permet de mesurer simultanément de nombreux emplacements spatiaux différents dans le matériau cristallin, à l’aide d’un réseau de détecteurs à photon unique rapide, combiné à un microscope. “Nous sommes capables d’imager spatialement la distribution de densité sur différentes espèces de spin comme une empreinte digitale, et la dynamique de transport de charge”, bien que ce travail soit encore préliminaire, dit Wang.

Bien que leur travail ait été effectué à l’aide de diamants de laboratoire, les principes pourraient être appliqués à d’autres défauts cristallins à l’état solide, dit-il. Les centres NV en diamant ont été attractifs pour la recherche car ils peuvent être utilisés à température ambiante et ils ont déjà été bien étudiés. Mais les centres de lacunes en silicium, les donneurs en silicium, les ions de terres rares dans les solides et d’autres matériaux cristallins peuvent avoir des propriétés différentes qui pourraient s’avérer utiles pour des types d’applications particuliers.

“Au fur et à mesure que la science de l’information progresse, les gens pourront éventuellement contrôler les positions et la charge des atomes et des défauts individuels. C’est la vision à long terme”, a déclaré Li. “Si vous pouvez avoir chaque atome stockant des informations différentes, c’est une capacité de stockage et de traitement d’informations beaucoup plus grande” par rapport aux systèmes existants où même un seul bit est stocké par un domaine magnétique de nombreux atomes. “Vous pouvez dire que c’est la limite ultime de la loi de Moore : descendre éventuellement à un défaut ou à un atome.”

Alors que certaines applications peuvent nécessiter beaucoup plus de recherche pour se développer à un niveau pratique, pour certains types de systèmes de détection quantique, les nouvelles connaissances peuvent être rapidement traduites en utilisations dans le monde réel, explique Wang. “Nous pouvons immédiatement améliorer les performances des capteurs quantiques en fonction de nos résultats”, dit-il.

“Dans l’ensemble, ce résultat est très excitant pour le domaine des défauts de spin à l’état solide”, déclare Chong Zu, professeur adjoint de physique à l’Université de Washington à St. Louis, qui se spécialise dans l’information quantique mais n’a pas participé à ce travail. ” En particulier, il introduit une approche puissante d’utilisation de la dynamique d’ionisation de charge pour ajuster en continu la densité de défauts de spin locaux, ce qui est important dans le contexte des applications des centres NV pour la simulation et la détection quantiques.”

L’équipe de recherche comprenait Changhao Li, Hao Tang, Boning Li, Francesca Madonini, Faisal Alsallom et Won Kyu Calvin Sun, tous au MIT ; Pai Peng à l’Université de Princeton ; et Federica Villa au Politecnico de Milano, en Italie. Les travaux ont été en partie soutenus par l’Agence américaine des projets de recherche avancée pour la défense.