Les spins sombres pourraient améliorer les performances des dispositifs quantiques à base de diamant

Les performances de certaines technologies quantiques pourraient être améliorées en exploitant les interactions entre les centres de lacune d'azote (NV) et les défauts à la surface du diamant - selon des recherches effectuées par deux équipes indépendantes de scientifiques aux États-Unis.

Les centres NV dans le diamant sont devenus une plate-forme prometteuse à l'état solide pour la détection quantique et le traitement de l'information. Ce sont des défauts dans le réseau de diamant dans lequel deux atomes de carbone sont remplacés par un seul atome d'azote, laissant un site de réseau vacant. Les centres NV sont un système de spin à deux niveaux dans lequel des informations quantiques peuvent être écrites et lues à l'aide de lumière laser et de micro-ondes. Une propriété importante des centres NV est qu'une fois qu'ils ont été mis dans un état quantique spécifique, ils peuvent rester dans cet état pendant un temps de "cohérence" relativement long - ce qui les rend technologiquement utiles.

Très sensible

Les centres NV sont très sensibles aux champs magnétiques, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés pour créer des capteurs de champ magnétique hautes performances pour une large gamme d'applications. Cependant, cette sensibilité a son inconvénient car les sources de bruit magnétique peuvent dégrader les performances des centres NV.

Une source de bruit magnétique sont les interactions entre les centres NV et les spins des électrons non appariés à la surface du diamant. Ces spins ne peuvent pas être détectés à l'aide de techniques optiques, ils sont donc appelés «spins sombres».

Lorsqu'ils interagissent avec les centres NV, les spins sombres peuvent détruire les informations quantiques stockées dans un centre NV ou réduire les performances des capteurs basés sur NV. De telles interactions peuvent être minimisées en utilisant des centres NV plus profonds à l'intérieur de la masse du diamant. Cependant, cette solution rend plus difficile leur utilisation pour détecter des champs magnétiques sur de très courtes échelles de longueur, ce qui est utile pour étudier des spins, des noyaux ou des molécules individuels.

Technologiquement utile

En raison de la difficulté à détecter les spins sombres, leur comportement est resté pour la plupart un mystère. Cependant, des études antérieures ont montré que les spins noirs ont de longs temps de cohérence, ce qui pourrait les rendre utiles dans les technologies quantiques.

Les deux équipes ont sondé les interactions entre les centres NV et les spins noirs en utilisant la double résonance électron-électron (DEER). Il s'agit d'une technique qui détermine la distance entre des paires de spins d'électrons en appliquant des impulsions micro-ondes aux deux simultanément.

Une équipe dirigée par Nathalie de Léon à l'Université de Princeton ont utilisé les mesures DEER pour développer un modèle de la façon dont les temps de cohérence du centre NV varient avec leur profondeur sous la surface du diamant. L'équipe a également découvert que les spins sombres ne sont pas statiques, mais "sautent" entre les sites à la surface. Ces découvertes suggèrent que les technologies basées sur la NV pourraient être optimisées en sélectionnant une profondeur appropriée pour les centres NV – et en développant des moyens de contrôler le saut des spins sombres.

Dépôt chimique en phase vapeur

Pendant ce temps, une équipe dirigée par Norman Yao à l'Université de Californie, Berkeley a utilisé des techniques similaires pour explorer comment les centres NV interagissent avec un type différent de spin sombre appelé P1. Ceux-ci ont été créés sur une surface de diamant par le dépôt chimique en phase vapeur d'azote.

La révolution quantique du diamant

Dans une expérience, les chercheurs ont préparé un bain peu peuplé de P1 afin que les interactions mutuelles entre les centres NV dominent l'influence des P1. Dans ce cas, ils pourraient utiliser des impulsions micro-ondes pour découpler sélectivement les centres NV soit les uns des autres, soit des impuretés. Cette étude a révélé que dans ce cas, les interactions entre les centres NV dominaient le processus de décohérence, plutôt que les interactions entre les centres NV et les P1.

Cependant, lorsque Yao et ses collègues ont préparé un bain plus dense de P1, ils ont pu utiliser les interactions pour échanger des informations quantiques entre les centres NV et les P1. Cet environnement quantique riche pourrait être particulièrement utile pour effectuer des simulations quantiques impliquant de nombreux spins en interaction, y compris des biomolécules complexes et des états exotiques de la matière.

L'équipe de Yao décrit son travail dans un papier sur arXiv qui a été accepté pour publication dans Physique de la nature. De Leon et ses collègues présentent leurs découvertes dans Examen physique X.

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• La source: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/