Des chercheurs de l’Université de Tsukuba ont atteint une résolution spatiale micrométrique pour l’imagerie par radiofréquence des centres de lacunes d’azote dans le diamant en améliorant le signal avec un verrouillage de spin quantique. Ce travail peut conduire à une caractérisation plus précise des matériaux, des diagnostics médicaux et des ordinateurs quantiques. Crédit : Université de Tsukuba
Des chercheurs de l’Université de Tsukuba utilisent des ondes radiofréquences pour imager des défauts « spin-lockés » dans le diamant avec une résolution record, ce qui peut conduire à des progrès dans la caractérisation des matériaux et l’informatique quantique.
Des scientifiques de la Division de physique de l’Université de Tsukuba ont utilisé l’effet quantique appelé « verrouillage de rotation » pour améliorer considérablement la résolution lors de l’imagerie par radiofréquence des défauts de lacunes d’azote dans le diamant. Ce travail peut conduire à une analyse des matériaux plus rapide et plus précise, ainsi qu’à une voie vers des ordinateurs quantiques pratiques.
Les centres de vacance d’azote (NV) ont longtemps été étudiés pour leur utilisation potentielle dans les ordinateurs quantiques. Un centre NV est un type de défaut dans le réseau d’un diamant, dans lequel deux atomes de carbone adjacents ont été remplacés par un azote atome et un vide. Cela laisse un électron non apparié, qui peut être détecté à l’aide d’ondes radiofréquences, car sa probabilité d’émettre un photon dépend de son état de spin. Cependant, la résolution spatiale de la détection des ondes radio utilisant des techniques radiofréquence conventionnelles est restée loin d’être optimale.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Tsukuba ont poussé la résolution à ses limites en utilisant une technique appelée “spin-locking”. Les impulsions micro-ondes sont utilisées pour mettre le spin de l’électron dans une superposition quantique de haut en bas simultanément. Ensuite, un champ électromagnétique moteur fait précéder la direction de la rotation, comme une toupie vacillante. Le résultat final est un spin d’électrons qui est protégé du bruit aléatoire mais fortement couplé à l’équipement de détection. « Le verrouillage de la rotation garantit une haute précision et la sensibilité de l’imagerie par champ électromagnétique », explique le premier auteur, le professeur Shintaro Nomura. En raison de la forte densité de centres NV dans les échantillons de diamant utilisés, le signal collectif qu’ils ont produit pourrait être facilement capté avec cette méthode. Cela a permis la détection de collections de centres NV à l’échelle micrométrique. “La résolution spatiale que nous avons obtenue avec l’imagerie RF était bien meilleure qu’avec des méthodes existantes similaires”, poursuit le professeur Nomura, “et elle n’était limitée que par la résolution du microscope optique que nous utilisions.”
L’approche démontrée dans ce projet peut être appliquée dans une grande variété de domaines d’application, par exemple, la caractérisation de molécules polaires, de polymères et de protéines, ainsi que la caractérisation de matériaux. Il pourrait également être utilisé dans des applications médicales, par exemple, comme nouvelle façon d’effectuer la magnétocardiographie.
Référence : « Near-field radio- Frequency imaging by spin-locking with anitro-vacancy spin sensor » par Shintaro Nomura, Koki Kaida, Hideyuki Watanabe et Satoshi Kashiwaya, 9 juillet 2021, Journal japonais de physique appliquée.
DOI : 10.1063/5.0052161
L’ouvrage est publié dans Journal de physique appliquée comme « Imagerie radiofréquence en champ proche par verrouillage de rotation avec un capteur de rotation à vide d’azote » sélectionné comme un Article vedette.
Ce travail a été en partie soutenu par une subvention pour la recherche scientifique (Nos JP18H04283, 291 JP18H01243, JP18K18726 et JP21H01009) de la Japan Society for the Promotion of 292 Science.
