Un échantillon de diamant éclairé par la lumière verte dans un microscope sur mesure. L'échantillon est placé sur un support spécial, à l'intérieur d'un circuit imprimé, utilisé pour fournir des micro-ondes qui permettent des manipulations quantiques et la détection magnétique avec les NV. Crédit :Yoav Romach
Les chercheurs ont découvert que des ensembles denses de spins quantiques peuvent être créés dans le diamant avec une haute résolution à l'aide d'un microscope électronique, ouvrant la voie à des capteurs et des ressources améliorés pour les technologies quantiques.
Les diamants sont constitués d'atomes de carbone dans une structure cristalline, mais si un atome de carbone est remplacé par un autre type d'atome, cela entraînera un défaut de treillis. L'un de ces défauts est le manque d'azote (NV), où un atome de carbone est remplacé par un atome d'azote, et son voisin est manquant (un espace vide reste à sa place).
Si ce défaut est éclairé par un laser vert, en réponse, il émettra une lumière rouge (fluorescence) avec une caractéristique intéressante :son intensité varie en fonction des propriétés magnétiques de l'environnement. Cette caractéristique unique rend le centre NV particulièrement utile pour mesurer les champs magnétiques, imagerie magnétique (IRM), et l'informatique et l'information quantiques.
Afin de produire des détecteurs magnétiques optimaux, la densité de ces défauts doit être augmentée sans augmenter le bruit ambiant et endommager les propriétés du diamant.
Maintenant, des scientifiques du groupe de recherche de Nir Bar-Gill à l'Institut de physique Racah et au Département de physique appliquée de l'Université hébraïque de Jérusalem, en coopération avec le professeur Eyal Buks du Technion - Israel Institute of Technology, ont montré que des densités ultra-élevées de centres NV peuvent être obtenues par un simple processus d'utilisation de faisceaux d'électrons pour expulser les atomes de carbone du réseau.
Nir Bar-Gill et Dima Farfurnik, chercheurs de l'Université hébraïque, avec un microscope magnétique en diamant. Crédit :Nir Bar-Gill
Ce travail, publié dans la revue scientifique Lettres de physique appliquée , s'inscrit dans la continuité de travaux antérieurs dans le domaine, et démontre une amélioration des densités des centres NV dans une variété de types de diamants. L'irradiation est réalisée à l'aide d'un microscope à faisceau électronique (Microscope Electronique à Transmission ou MET), qui a été spécialement converti à cet effet. La disponibilité de cet appareil dans les centres de nanotechnologie de nombreuses universités en Israël et dans le monde permet ce processus avec une grande précision spatiale, rapidement et simplement.
Les densités renforcées des centres de couleur NV obtenus, tout en conservant leurs propriétés quantiques uniques, préfigurent les futures améliorations de la sensibilité des mesures magnétiques du diamant, ainsi que des orientations prometteuses dans l'étude de la physique de l'état solide et de la théorie de l'information quantique.
Les centres de coloration Nitrogen Vacancy (NV) présentent des propriétés remarquables et uniques, y compris de longs temps de cohérence à température ambiante (~ ms), initialisation et lecture optique, et un contrôle cohérent des micro-ondes.
Une chambre de prélèvement cryogénique, avec échantillon de diamant monté sur plaque froide en cuivre. Crédit :Yoav Romach
"Ce travail est un tremplin important vers l'utilisation des centres NV dans le diamant comme ressources pour les technologies quantiques, comme la détection améliorée, la simulation quantique et potentiellement le traitement de l'information quantique", dit Bar-Gill, professeur adjoint au Département de physique appliquée et à l'Institut de physique Racah de l'Université hébraïque, où il a fondé Quantum Information, Laboratoire de simulation et de détection.
"La particularité de notre approche est qu'elle est très simple et directe, ", a déclaré Dima Farfurnik, chercheuse à l'Université hébraïque. "Vous obtenez des concentrations de NV suffisamment élevées qui conviennent à de nombreuses applications avec une procédure simple qui peut être effectuée en interne."
