Le Grand collisionneur de hadrons du CERN est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. Crédit :UCI UC Irvine/Flickr
Nous vivons dans un monde bruyant. Interférence de la lumière, vibrations, le rayonnement électromagnétique et le son peuvent être gênants; cela perturbe notre sommeil et peut interférer avec nos équipements électriques.
Pour les physiciens qui étudient le très petit et le très lointain, le bruit peut être un facteur décisif. Pour le réduire, ils ont souvent besoin de trouver de gros, solutions coûteuses.
Ils ont dû construire le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde pour voir le minuscule signal de la particule du boson de Higgs, et la règle la plus longue et la plus sensible du monde pour voir les ondes gravitationnelles. Les scientifiques doivent envoyer des télescopes dans l'espace pour éviter le bruit de notre atmosphère s'ils veulent voir les détails des galaxies les plus éloignées.
Mais la solution n'est pas toujours à une si grande échelle. Dans une nouvelle recherche publiée dans Physique de la nature , un groupe de physiciens de l'Université de Melbourne a trouvé un moyen de réduire le bruit ressenti par les capteurs quantiques simplement en les faisant tourner.
Les capteurs quantiques sont très sensibles et parmi leurs nombreuses applications prometteuses, ils inaugurent une nouvelle ère de l'IRM (imagerie par résonance magnétique) qui rend visibles les minuscules détails à l'intérieur des cellules et des protéines.
Un capteur quantique particulièrement prometteur est le centre de vacance d'azote (NV), trouvé dans les diamants. Il s'agit d'une faille au niveau atomique, où un atome d'azote remplace un atome de carbone, piéger les électrons dans un état quantique.
"Un électron est essentiellement un barreau aimanté, " dit le Dr Alexander Wood de la School of Physics de l'Université de Melbourne, qui était le premier auteur de l'article de Nature Physics.
"Il a un pôle nord et un pôle sud. Et si nous mettons un électron dans un champ magnétique, il tournera très rapidement."
Mais les électrons dans les centres NV ne sont pas les seuls aimants dans un diamant.
"Dans un diamant, vous avez deux sortes de carbone. La plupart sont ce qu'on appelle le carbone-12, ce qui est assez ennuyeux, " dit le Dr Wood.
"Toutefois, environ 1 atome de carbone sur 100 est un carbone-13. Il a un neutron supplémentaire.
"Comme les électrons, le noyau de chacun de ces atomes de carbone 13 est comme un petit barreau aimanté. Et, comme un barreau aimanté, si vous mettez un noyau de carbone 13 dans un champ magnétique, ça tourne."
Les états quantiques reposent sur une propriété appelée cohérence, qui est sensible au « bruit » environnemental pouvant conduire à une perte de l'état quantique, connu sous le nom de déphasage. Professeur agrégé Andy Martin, qui a dirigé l'étude financée par l'Australian Research Council, dit qu'il est difficile de maintenir l'état quantique des centres NV.
Pour leurs expériences, les chercheurs ont monté un diamant avec des capteurs quantiques (centres NV, en bleu) sur une broche tournante. Le quadrillage représente la structure atomique du diamant. Le diamant est principalement composé d'atomes de carbone 14 non magnétiques, mais contient un petit nombre de carbone-13 magnétique. Un laser vert est utilisé à la fois pour créer et lire l'état quantique. Crédit :Université de Melbourne
"Un état quantique est fragile. Il est fragile au champ magnétique en particulier. Si vous avez des fluctuations dans le champ magnétique, cela déphasera le capteur quantique."
Le maintien de l'état quantique est la clé de l'utilisation des systèmes NV comme capteurs quantiques d'environnements à l'échelle nanométrique
Professeur Hollenberg, qui dirige un groupe de recherche de l'Université de Melbourne sur les capteurs quantiques, assimile l'état quantique à une bulle.
« Si votre environnement est épineux, alors l'état quantique ne durera pas très longtemps. Mais si votre environnement est moins piquant, cette bulle durera beaucoup plus longtemps, " il dit.
"C'est le principe par lequel nous pouvons détecter l'environnement autour du centre NV à des échelles extrêmement petites et à haute sensibilité."
Dans l'étude, les chercheurs ont cherché à réduire l'effet du déphasage en faisant rapidement tourner l'ensemble du système.
« La barre magnétique en rotation des atomes de carbone-13 crée des picotements dans le champ magnétique – ils interagissent avec les centres NV, affectant sa cohérence et sa capacité à ressentir, " dit le professeur agrégé Martin.
Minimiser le bruit du carbone-13 augmente la sensibilité des capteurs quantiques, ce qui devrait conduire à une meilleure compréhension du monde à l'échelle nanométrique.
Ceci peut être réalisé en utilisant des diamants de carbone 12 isotopiquement purs et coûteux, fabriqués par synthèse, ou en arrêtant la rotation des atomes de carbone-13. Le problème avec l'arrêt de la rotation du carbone-13 est que les électrons du centre NV s'arrêteraient également de tourner, et cette rotation est cruciale pour le fonctionnement de ces capteurs quantiques.
La solution consiste à faire croire au centre NV que les barres magnétiques atomiques des atomes de carbone 13 ont cessé de tourner.
Pour ce faire, l'équipe, travaillant dans le laboratoire du professeur Robert Scholten, utilisé une technique de la physique classique. Il s'agit de faire tourner le diamant entier à grande vitesse.
"Dans le champ magnétique que nous utilisons généralement, les barres-aimants atomiques des centres NV tourneront environ 2,8 milliards de fois par seconde, alors que le carbone-13 tournera environ 5, 000 fois par seconde, " dit le Dr Wood.
"Parce qu'il tourne déjà si vite, si nous tournons le diamant entier à 5, 000 fois par seconde, la barre-aimant atomique du centre NV n'est pas affectée.
Si le diamant tourne dans le même sens (orange) que le carbone-13, le capteur quantique voit un spin plus lent (et un pseudo champ magnétique plus faible), tandis que si le diamant tourne dans la direction opposée (violet), le capteur quantique voit un spin plus rapide (et un pseudo champ magnétique plus grand). Crédit :Université de Melbourne
"Mais les atomes de carbone-13 sont affectés. Et parce que le centre NV et le carbone-13 sont maintenant dans le même référentiel, tournant à 5, 000 fois par seconde dans le même sens que la rotation des atomes de carbone, cela signifie que le centre NV considère le carbone-13 comme essentiellement stationnaire.
"Vous pouvez donc annuler efficacement les champs magnétiques du carbone-13 que ces capteurs voient en plaçant votre capteur et le carbone-13 dans le même cadre rotatif."
"Ce que nous avons ici, c'est un environnement qui, lorsque vous ne tournez pas, est assez hérissé. Et lorsque vous le faites pivoter, il devient moins épineux, augmenter la longévité de l'état quantique, " dit le professeur agrégé Martin.
Sur cette base, nous supposerions que la précision optimale se produirait lorsque le diamant tournait exactement à la même vitesse que le carbone-13. Mais les chercheurs ont découvert que ce n'était pas le cas.
"Vous vous attendriez à ce que le quantum du capteur augmente jusqu'à ce que les spins du carbone-13 soient gelés dans le cadre en rotation, mais à mesure que nous nous rapprochons du cadre gelé, la cohérence commence à baisser, parce que les carbone-13 commencent à interagir les uns avec les autres, ajouter du bruit dans le système, " dit le Dr Wood.
Les chercheurs ont déterminé le pseudo-champ qui donne la plus grande réduction du bruit des spins cabon-13.
"Le sweet spot semble être dans un champ magnétique total - qui est la combinaison du champ normal et du pseudo-champ du cadre tournant - d'un Gauss, ce qui équivaut au capteur voyant le carbone tourner environ 1000 fois par seconde, " dit le Dr Wood.
"Le Gauss est une mesure de la densité de flux magnétique, ou l'intensité du champ magnétique. Par exemple, un aimant de réfrigérateur est d'environ 100 Gauss et la force du champ magnétique de la Terre est d'environ la moitié d'un Gauss."
Alors que cette technique pourrait bientôt être utilisée pour améliorer la précision des scanners IRM quantiques, Le professeur agrégé Martin dit que cela peut également aider à répondre à certaines questions fondamentales en physique.
"Par exemple, les capteurs quantiques pourraient aider à répondre à des questions telles que; quand est-ce qu'un fluide devient un fluide ?" dit-il.
"Prenez une molécule d'eau, ce n'est pas un fluide. Prenez deux molécules d'eau, ce n'est pas un fluide non plus. À un moment donné, cela devient un fluide et tout dépend de l'échelle à laquelle vous sondez. Et vous ne pouvez regarder cela que si vous pouvez sonder jusqu'à ces échelles.
"Maintenant, vous avez ces capteurs basés sur les défauts d'azote dans les diamants. Ils n'ont pas besoin d'être un gros diamant comme une bague en diamant, ils peuvent être des nanocristaux. Ils peuvent être extrêmement petits.
« Donc, vous commencez à avoir ces appareils qui peuvent mesurer la translation et, maintenant, mouvement de rotation. Il vous donne une sonde sur ces très petites échelles, pas seulement en termes de champs magnétiques, mais en termes de mouvement de translation et de rotation."
