Jennifer Choy fabrique des antennes de la taille d'un atome. Ils n'ont aucune ressemblance avec la tige télescopique qui transmet les tubes pop à travers une chaîne stéréo portable. Mais fonctionnellement, ils sont similaires. Ce sont des capteurs quantiques, captant de minuscules signaux électromagnétiques et les relayant d'une manière que nous pouvons mesurer.

Comment petit un signal? Un capteur quantique pourrait discerner les changements de température dans une seule cellule de tissu humain ou même les champs magnétiques provenant du noyau terrestre.

Jennifer Choy, scientifique à l'Université du Wisconsin-Madison, développe des technologies qui pourraient conduire à des accéléromètres et des magnétomètres ultraprécis pour la navigation et pour sonder de minuscules changements dans les champs électromagnétiques d'un matériau.

"Vous pouvez considérer ces capteurs quantiques comme une sonde à l'échelle atomique qui vous permet d'être sensible et de mesurer des changements vraiment localisés dans les champs magnétiques", a déclaré Choy. "Et vous pouvez étendre vos mesures pour sonder des caractéristiques magnétiques macroscopiques et d'autres paramètres physiques comme la contrainte mécanique et la température."

Tirant parti de la nature quantique des atomes, qui ne se révèle qu'aux plus petites échelles de la nature, et de leur sensibilité aux perturbations externes, ces capteurs présentent une exactitude et une précision extraordinaires, faisant ressembler leurs homologues traditionnels à des instruments émoussés en comparaison.

Pour Choy, le défi consiste à accroître l'efficacité avec laquelle ces instruments invisibles transmettent l'information. La recherche est à parts égales découverte de la physique et ingénierie, dit-elle.

"Je trouve le travail passionnant car il correspond bien au type de formation méli-mélo que j'ai eue", a déclaré Choy, qui est membre à la fois de Q-NEXT, un centre de recherche national en sciences de l'information quantique du département américain de l'énergie (DOE). par le laboratoire national d'Argonne du DOE et le Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks, ou HQAN, de la National Science Foundation. "Je suis un physicien appliqué de formation, et je ne me considère pas uniquement comme un physicien ou un ingénieur. Mais j'apprécie vraiment cette intersection de la science fondamentale et du travail d'ingénierie."

Lumière et matière

Choy travaille sur des capteurs quantiques dans lesquels les électrons des matériaux quantiques jouent le rôle d'antenne. Les informations qu'ils captent peuvent être lues à travers leurs interactions avec les photons, les particules sans masse qui transportent les informations électromagnétiques.

Plus la poignée de main entre l'électron et le photon est ferme, plus la transmission est claire.

Lorsque l'électron reçoit un signal particulier, il absorbe l'énergie du photon. Chup ! L'électron sous tension monte à un échelon supérieur sur l'échelle de l'énergie atomique. Quand vient le temps de dissiper l'énergie, l'électron tombe de cet échelon supérieur vers le sol - hop ! - et l'énergie accumulée est libérée sous forme de photon d'une couleur particulière.

Les scientifiques lisent la lumière et mesurent ses propriétés, telles que l'intensité et la longueur d'onde, pour interpréter le signal d'origine.

Centres de couleurs

En tant que membre de Q-NEXT, Choy conçoit des capteurs qui prennent la forme de trous de la taille d'un atome dans un diamant créés par l'élimination d'atomes de carbone individuels. La lacune et un atome adjacent piègent ensemble une paire d'électrons (l'antenne atomique) des atomes voisins.

L'énergie absorbée par l'électron donne au matériau une teinte particulière, c'est pourquoi ces capteurs basés sur les lacunes sont souvent appelés centres de couleur.

Les énergies des électrons piégés sont particulièrement sensibles aux changements à proximité du champ magnétique, de la température et de la contrainte. Cependant, leur sensibilité les rend également sensibles à d'autres facteurs environnementaux qui peuvent dégrader les performances de mesure. C'est pourquoi l'ingénierie des centres de couleur est un exercice d'équilibre délicat :s'assurer que les électrons répondent fortement à la cible de détection d'une part tout en minimisant leurs réponses au bruit de fond indésirable d'autre part.

Choy étudie les processus de croissance des matériaux et les techniques de caractérisation pour obtenir les meilleures performances possibles des centres de couleur.

Elle conçoit également des structures qui pourraient canaliser efficacement les photons dans et hors de ces centres de couleur, améliorant ainsi la capacité du capteur à la fois à collecter des signaux et à émettre de la lumière. Plus l'électron peut absorber et émettre les photons rapidement et rapidement, plus le signal est fort.

Tout comme une vidéo claire et sans décalage rend l'expérience Zoom plus agréable, une transmission de signal claire et sans décalage rend le capteur quantique plus utile.

Les différentes structures photoniques qui peuvent être réalisées dans le diamant sonnent comme des jouets de bricolage sophistiqués à l'échelle de l'atome :les nanofils; de minuscules résonateurs métalliques appliqués près de la vacance ; une couche de silicium spécialement conçue ajoutée au-dessus du diamant.

Chacune de ces merveilles architecturales vise à faciliter la poignée de main électron-photon.

"The use of color centers for sensing has expanded to directions as varied as biosensing, condensed-matter studies and dark-matter detection over the past decade, and it is still a field that's rich in both fundamental and applied research," Choy said.

A quantum ensemble

As a member of HQAN, Choy is developing a different class of quantum devices called a quantum metamaterial.

Quantum metamaterials rely on an ensemble of closely packed, photon-emitting atoms. These quantum emitters can be neutral atoms, charged atoms or systems such as color centers.

They exhibit collective behavior when interacting with a common mode of light. Choy and her collaborators are working on accurately positioning the metamaterials' color centers and tailoring their properties in a way that neighboring emitters become indistinguishable from one another, behaving as a single unit.

"The emitters behave collectively. This allows us to control the speed at which they radiate photons—with far more control than when they're isolated," Choy said. "There are no individual features anymore."

With photon-emitting atoms working cooperatively, a quantum sensor could send a stronger, amplified, unified signal—one that responds to a single, incoming photon.

"We're interested in quantum metamaterials as a way to greatly enhance and control light-matter interaction with quantum systems," Choy said. "This can enable the ability to engineer a collective optical response based on a quantum state as well as extend the interaction range between quantum systems."

Pursuing applications in quantum

Choy's interest in quantum sensing began when she was a grad student at Harvard, where she earned master's and doctoral degrees in applied physics. She worked in Marko Loncar's lab developing diamond-based photonic devices.

"After grad school I realized I really enjoy hands-on work and wanted to do more of that. But I also wanted to have a better understanding of how the research that I do can further practical applications," she said.

So she went to work at Draper Lab in 2013, a not-for-profit organization in Cambridge, Massachusetts. There, she researched quantum sensing to develop precision accelerometers, gyroscopes and atomic clocks.

"The atomic clock, which serves as the basis of how the second is defined and is used by satellites in the GPS constellation, is an example where a quantum technology has completely changed our lives," she said. "Now we want to explore other transformative applications of quantum sensors, some of which require engineering solutions in order to maintain their best performance outside of the lab."

In 2019, Choy joined the faculty of the University of Wisconsin–Madison, where she continues to advance quantum-sensor performance and promote quantum education and workforce development.

"Quantum science and engineering is a field that can advance fundamental understanding and create enabling technologies for many disciplines in science and engineering. It's great for providing the next generation of scientists and engineers with well-rounded and multidisciplinary training," she said. "Quantum-enabled devices have both near-term applications and longer-term promise. That full spectrum of having both near-term, very tangible progress and impactful, long-term vision is exciting." + Explorer plus loin

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