Le capteur quantique peut identifier les signes électromagnétiques de n’importe quelle fréquence
Les capteurs quantiques, qui identifient les variations les plus intimes des champs magnétiques ou électriques, ont permis des mesures de précision en science des matériaux et en physique fondamentale. Ces capteurs ne peuvent détecter que quelques fréquences spécifiques de ces champs, ce qui limite leur utilité. Aujourd’hui, des scientifiques du MIT ont développé une technique appliquée à ces capteurs de détection n’importe quelle fréquence arbitraire sans perdre leur capacité à mesurer des caractéristiques à l’échelle nanométrique.
La nouvelle approche, pour laquelle l’équipe a déjà déposé une demande de protection par brevet, est définie dans la revue Physical Review X, dans un article de l’étudiant diplômé Guoqing Wang, professeur de sciences et ingénierie nucléaires et de physique Paola Capellaro , et quatre autres au MIT. Et, Laboratoire Lincoln.
Les capteurs quantiques peuvent prendre plusieurs types ; ce sont des systèmes dans lesquels certaines particules sont dans un état d’équilibre si délicat qu’elles sont fournies par des variations même légères des champs pourvus qu’elles sont soumises. Ceux-ci prennent 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.
Les physiciens les utilisent pour rechercher les états exotiques de la matière, impliquant des cristaux dits temporels et des phases topologiques, tandis que d’autres chercheurs les utilisent pour caractériser des gadgets pratiques tels que la mémoire quantique expérimentale ou les dispositifs de calcul. Cependant, de nombreux autres phénomènes d’intérêt englobent une variété de fréquences beaucoup plus grande que ce que les capteurs quantiques actuels peuvent détecter.
Le nouveau système conçu par le groupe, appelé émettant quantique, injecte une seconde fréquence dans le détecteur en utilisant un faisceau de micro-ondes. Cela transforme la fréquence du champ examinée en une fréquence différente – la différence entre la fréquence d’origine et celle du signe inclus – attribuée à la fréquence spécifique à laquelle le détecteur est le plus délicat. Ce processus de base permet au détecteur d’approcher n’importe quelle fréquence requise sans perte de résolution spatiale à l’échelle nanométrique du capteur.
Dans leurs essais, le groupe a utilisé un dispositif spécifique fondé sur un réseau d’installations de lacune d’azote dans le diamant, un système de détection quantique largement utilisé et a montré avec succès la détection d’un signe avec une fréquence de 150 mégahertz, en utilisant un détecteur de qubit avec la fréquence de 2,2 GHz – une détection serait impossible sans le multiplexeur quantique. Ils ont ensuite réalisé des analyses précises du processus en obtenant une structure théorique basée sur le concept de Floquet et en examinant les prédictions numériques de cette théorie dans une série d’expériences.
Alors que leurs examens utilisaient ce système particulier, dit Wang, “le même principe peut également être utilisé dans n’importe quel type de capteurs ou de gadgets quantiques”. Le système serait auto-retenu, avec le détecteur et la seconde source de fréquence, tous emballés dans un gadget unique.
Wang dit que ce système pourrait être utilisé, par exemple, pour présenter en détail les performances d’une antenne micro-ondes. “Il peut présenter la distribution du champ [généré par l’antenne] avec une résolution à l’échelle nanométrique, il est donc extrêmement prometteur dans cette direction”, affirme-t-il.
Il existe d’autres manières de modifier la sensibilité en fréquence de certains capteurs quantiques. Cependant, ceux-ci risquent l’utilisation de gadgets massifs et de puissants champs magnétiques qui brouillent les informations fines et rendent impossible l’obtention de la résolution extrêmement élevée fournie par le nouveau système. Dans de tels systèmes aujourd’hui, allègue Wang, “vous devez utiliser un champ magnétique solide pour régler le capteur, mais ce champ magnétique peut détruire essentiellement les propriétés des matériaux quantiques, ce qui affecte les phénomènes que vous déterminerez ensuite”.
Le système ouvrirait de nouvelles applications dans les domaines biomédicaux, selon Cappellaro, car il rend disponible une gamme de fréquences de la tâche électrique ou magnétique au niveau d’une cellule unique. Il serait difficile d’obtenir une résolution utile de ces signes en utilisant les systèmes de détection quantiques actuels, affirme-t-elle.
Il pourrait être concevable d’utiliser ce système pour repérer les signes de sortie d’un seul neurone en réaction à un stimulus, par exemple, qui comprend généralement beaucoup de bruit, ce qui rend ces signaux durs à isoler.
Le système peut également être utilisé pour définir le comportement de matériaux exotiques tels que les matériaux 2D recherchés pour leurs caractéristiques électromagnétiques, optiques et physiques.
Dans le cadre de travaux en cours, le groupe explore la probabilité de trouver des moyens d’élargir le système pour être capable d’examiner immédiatement une gamme de fréquences, au lieu du ciblage de fréquence unique du système actuel. Il leur reste également à définir les capacités du système en utilisant des gadgets de détection quantique plus efficaces au Lincoln Laboratory, où sont basés certains membres de l’équipe d’étude.
Plus d’informations :
Guoqing Wang et al, Détection de champs de fréquence arbitraire à l’aide d’un rejet quantique, Physical Review X (2022). DOI : 10.1103/PhysRevX.12.021061
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