Les capteurs quantiques, qui détectent les variations les plus infimes des champs magnétiques ou électriques, ont permis des mesures de précision en science des matériaux et en physique fondamentale. Mais ces capteurs n'ont été capables de détecter que quelques fréquences spécifiques de ces champs, limitant leur utilité. Maintenant, des chercheurs du MIT ont développé une méthode permettant à ces capteurs de détecter n'importe quelle fréquence arbitraire, sans perte de leur capacité à mesurer des caractéristiques à l'échelle nanométrique.

La nouvelle méthode, pour laquelle l'équipe a déjà déposé une demande de protection par brevet, est décrite dans la revue Physical Review X , dans un article rédigé par l'étudiant diplômé Guoqing Wang, le professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires et de physique Paola Capellaro, et quatre autres au MIT et au Lincoln Laboratory.

Les capteurs quantiques peuvent prendre plusieurs formes; ce sont essentiellement des systèmes dans lesquels certaines particules sont dans un état d'équilibre si délicat qu'elles sont affectées par des variations même infimes des champs auxquels elles sont exposées. Ceux-ci peuvent prendre la forme d'atomes neutres, d'ions piégés et de spins à l'état solide, et la recherche utilisant de tels capteurs s'est rapidement développée. Par exemple, les physiciens les utilisent pour étudier des états exotiques de la matière, y compris les soi-disant cristaux temporels et les phases topologiques, tandis que d'autres chercheurs les utilisent pour caractériser des dispositifs pratiques tels que la mémoire quantique expérimentale ou les dispositifs de calcul. Mais de nombreux autres phénomènes d'intérêt couvrent une gamme de fréquences beaucoup plus large que ce que les capteurs quantiques actuels peuvent détecter.

Le nouveau système mis au point par l'équipe, qu'ils appellent un mélangeur quantique, injecte une seconde fréquence dans le détecteur à l'aide d'un faisceau de micro-ondes. Cela convertit la fréquence du champ étudié en une fréquence différente - la différence entre la fréquence d'origine et celle du signal ajouté - qui est accordée à la fréquence spécifique à laquelle le détecteur est le plus sensible. Ce processus simple permet au détecteur de se positionner sur n'importe quelle fréquence souhaitée, sans perte de résolution spatiale à l'échelle nanométrique du capteur.

Dans leurs expériences, l'équipe a utilisé un dispositif spécifique basé sur un réseau de centres de lacunes d'azote dans le diamant, un système de détection quantique largement utilisé, et a démontré avec succès la détection d'un signal avec une fréquence de 150 mégahertz, en utilisant un détecteur qubit avec une fréquence de 2,2 gigahertz - une détection qui serait impossible sans le multiplexeur quantique. Ils ont ensuite effectué des analyses détaillées du processus en dérivant un cadre théorique, basé sur la théorie de Floquet, et en testant les prédictions numériques de cette théorie dans une série d'expériences.

Bien que leurs tests aient utilisé ce système spécifique, dit Wang, "le même principe peut également être appliqué à tout type de capteurs ou d'appareils quantiques". Le système serait autonome, le détecteur et la source de la deuxième fréquence étant tous regroupés dans un seul appareil.

Wang dit que ce système pourrait être utilisé, par exemple, pour caractériser en détail les performances d'une antenne hyperfréquence. "It can characterize the distribution of the field [generated by the antenna] with nanoscale resolution, so it's very promising in that direction," he says.

There are other ways of altering the frequency sensitivity of some quantum sensors, but these require the use of large devices and strong magnetic fields that blur out the fine details and make it impossible to achieve the very high resolution that the new system offers. In such systems today, Wang says, "you need to use a strong magnetic field to tune the sensor, but that magnetic field can potentially break the quantum material properties, which can influence the phenomena that you want to measure."

The system may open up new applications in biomedical fields, according to Cappellaro, because it can make accessible a range of frequencies of electrical or magnetic activity at the level of a single cell. It would be very difficult to get useful resolution of such signals using current quantum sensing systems, she says. It may be possible using this system to detect output signals from a single neuron in response to some stimulus, for example, which typically include a great deal of noise, making such signals hard to isolate.

The system could also be used to characterize in detail the behavior of exotic materials such as 2D materials that are being intensely studied for their electromagnetic, optical, and physical properties.

In ongoing work, the team is exploring the possibility of finding ways to expand the system to be able to probe a range of frequencies at once, rather than the present system's single frequency targeting. They will also be continuing to define the system's capabilities using more powerful quantum sensing devices at Lincoln Laboratory, where some members of the research team are based. + Explorer plus loin

Improving quantum sensors by measuring the orientation of coherent spins inside a diamond lattice

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