Les physiciens de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont lié, ou « enchevêtré », le mouvement mécanique et les propriétés électroniques d’un minuscule cristal bleu, lui donnant un avantage quantique dans la mesure des champs électriques avec une sensibilité record qui peut améliorer la compréhension de l’univers.
Le capteur quantique se compose de 150 ions de béryllium (atomes chargés électriquement) confinés dans un champ magnétique, de sorte qu’ils s’auto-organisent en un cristal plat 2D de seulement 200 millionièmes de mètre de diamètre. Des capteurs quantiques comme celui-ci ont le potentiel de détecter les signaux de la matière noire – une substance mystérieuse qui pourrait s’avérer être, entre autres théories, des particules subatomiques qui interagissent avec la matière normale par le biais d’un faible champ électromagnétique. La présence de matière noire pourrait faire bouger le cristal de manière révélatrice, révélée par des changements collectifs parmi les ions du cristal dans l’une de leurs propriétés électroniques, connue sous le nom de spin.
Comme décrit dans le numéro du 6 août 2021 de Science, les chercheurs peuvent mesurer l’excitation vibratoire du cristal – le plan plat se déplaçant de haut en bas comme la tête d’un tambour – en surveillant les changements dans la rotation collective. La mesure du spin indique l’étendue de l’excitation vibrationnelle, appelée déplacement.
Illustration du cristal quantique du NIST. Crédit : Burrows/JILA
Ce capteur peut mesurer des champs électriques externes qui ont la même fréquence de vibration que le cristal avec plus de 10 fois la sensibilité de tout capteur atomique précédemment démontré. (Techniquement, le capteur peut mesurer 240 nanovolts par mètre en une seconde.) Dans les expériences, les chercheurs appliquent un champ électrique faible pour exciter et tester le capteur à cristal. Une recherche de matière noire rechercherait un tel signal.
“Les cristaux d’ions pourraient détecter certains types de matière noire – par exemple les axions et les photons cachés – qui interagissent avec la matière normale à travers un champ électrique faible”, a déclaré l’auteur principal du NIST, John Bollinger. « La matière noire forme un signal de fond avec une fréquence d’oscillation qui dépend de la masse de la particule de matière noire. Des expériences à la recherche de ce type de matière noire sont en cours depuis plus d’une décennie avec des circuits supraconducteurs. Le mouvement des ions piégés offre une sensibilité sur une gamme de fréquences différente.
Le groupe de Bollinger travaille avec le cristal ionique depuis plus d’une décennie. Ce qui est nouveau, c’est l’utilisation d’un type spécifique de lumière laser pour enchevêtrer le mouvement et les spins collectifs d’un grand nombre d’ions, ainsi que ce que les chercheurs appellent une stratégie de « inversion du temps » pour détecter les résultats.
Illustration du cristal quantique du NIST. Crédit : Burrows/JILA
L’expérience a bénéficié d’une collaboration avec la théoricienne du NIST Ana Maria Rey, qui travaille au JILA, un institut conjoint du NIST et de l’Université du Colorado Boulder. Le travail théorique a été essentiel pour comprendre les limites de la configuration du laboratoire, a offert un nouveau modèle pour comprendre l’expérience qui est valable pour un grand nombre d’ions piégés et a démontré que l’avantage quantique provient de l’enchevêtrement du spin et du mouvement, a déclaré Bollinger.
Rey a noté que l’intrication est bénéfique pour annuler le bruit quantique intrinsèque des ions. Cependant, il est difficile de mesurer l’état quantique intriqué sans détruire les informations partagées entre le spin et le mouvement.
“Pour éviter ce problème, John est capable d’inverser la dynamique et de démêler la rotation et le mouvement après l’application du déplacement”, a déclaré Rey. “Cette inversion de temps découple le spin et le mouvement, et maintenant le spin collectif lui-même a les informations de déplacement stockées dessus, et lorsque nous mesurons les spins, nous pouvons déterminer le déplacement très précisément. C’est chouette !”
Les chercheurs ont utilisé des micro-ondes pour produire les valeurs souhaitées des spins. Les ions peuvent être tournés vers le haut (souvent envisagés comme une flèche pointant vers le haut), vers le bas ou sous d’autres angles, y compris les deux en même temps, un état quantique spécial. Dans cette expérience, les ions avaient tous le même spin – d’abord vers le haut puis horizontalement – donc lorsqu’ils étaient excités, ils tournaient ensemble selon un schéma caractéristique des toupies.
Des faisceaux laser croisés, avec une différence de fréquence presque identique à celle du mouvement, ont été utilisés pour enchevêtrer la rotation collective avec le mouvement. Le cristal a ensuite été excité vibratoirement. Les mêmes lasers et micro-ondes ont été utilisés pour défaire l’enchevêtrement. Pour déterminer à quel point le cristal a bougé, les chercheurs ont mesuré le niveau de fluorescence du spin des ions (le spin up diffuse la lumière, le spin down est sombre).
À l’avenir, l’augmentation du nombre d’ions à 100 000 en fabriquant des cristaux 3D devrait multiplier par trente la capacité de détection. De plus, la stabilité du mouvement excité du cristal pourrait être améliorée, ce qui améliorerait le processus d’inversion du temps et la précision des résultats.
“Si nous sommes en mesure d’améliorer cet aspect, cette expérience peut devenir une ressource fondamentale pour détecter la matière noire”, a déclaré Rey. « Nous savons que 85 % de la matière dans l’univers est constituée de matière noire, mais à ce jour, nous ne savons pas de quoi est constituée la matière noire. Cette expérience pourrait nous permettre à l’avenir de dévoiler ce mystère.
Les co-auteurs comprenaient des chercheurs de l’Université de l’Oklahoma. Ce travail est soutenu en partie par le département américain de l’Énergie, le bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air, l’agence des projets de recherche avancée pour la défense, le bureau de recherche de l’armée et la National Science Foundation.
Référence : « Détection quantique améliorée des déplacements et des champs électriques avec des cristaux d’ions piégés à deux dimensions » par KA Gilmore, M. Affolter, RJ Lewis-Swan, D. Barberena, E. Jordan, AM Rey et JJ Bollinger., 5 août 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abi5226
