Une nouvelle technique de détection quantique révèle des connexions magnétiques

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Crédit : domaine public CC0

Supposons que vous remarquiez une chute soudaine de la température sur les thermomètres de votre terrasse et de votre cuisine. Au début, vous pensez que c’est à cause d’un coup de froid, alors vous augmentez le chauffage de votre maison. Alors vous vous rendez compte que si l’extérieur est effectivement devenu plus froid, à l’intérieur, quelqu’un a laissé la porte du réfrigérateur ouverte.

Au départ, vous pensiez que les chutes de température étaient corrélées. Plus tard, vous avez vu qu’ils ne l’étaient pas.

Reconnaître quand les lectures sont corrélées est important non seulement pour votre facture de chauffage domestique, mais pour toute la science. C’est particulièrement difficile lors de la mesure des propriétés des atomes.

Maintenant, les scientifiques ont développé une méthode, rapportée dans Sciencequi leur permet de voir si les champs magnétiques détectés par une paire de capteurs quantiques à l’échelle atomique sont corrélés ou non.

La capacité de faire la distinction entre les environnements autonomes et corrélés à l’échelle atomique pourrait avoir d’énormes impacts sur la médecine, la navigation et la science de la découverte.

Ce qui s’est passé

Une équipe de scientifiques de l’Université de Princeton et de l’Université du Wisconsin-Madison a développé et démontré une nouvelle technique pour déterminer si les champs magnétiques captés par plusieurs capteurs quantiques sont corrélés entre eux ou indépendants.

L’équipe s’est concentrée sur un type de capteur à base de diamant appelé centre de lacune d’azote, ou centre NV, qui consiste en un atome d’azote à côté d’un trou de la taille d’un atome dans le cristal d’atomes de carbone qui composent le diamant.

En règle générale, les scientifiques mesurent l’intensité du champ magnétique à un seul centre NV en faisant la moyenne de plusieurs lectures; ou ils pourraient prendre une lecture moyenne de plusieurs centres NV à la fois.

Bien qu’utiles, les valeurs moyennes ne fournissent qu’une quantité limitée d’informations. Sachant que la température moyenne dans le Wisconsin sera de 42 degrés Fahrenheit demain, cela ne vous dit pas grand-chose à quel point il fera plus froid la nuit ou dans la partie nord de l’État.

“Si vous voulez apprendre non seulement la valeur du champ magnétique à un endroit ou à un moment donné, mais s’il existe une relation entre le champ magnétique à un endroit et le champ magnétique à un autre à proximité, il n’y avait pas vraiment de bon moyen de le faire avec ces centres NV », a déclaré le co-auteur de l’article, Shimon Kolkowitz, professeur agrégé à l’Université du Wisconsin-Madison et collaborateur de Q-NEXT. Q-NEXT est un centre de recherche national en sciences de l’information quantique du Département américain de l’énergie (DOE) dirigé par le Laboratoire national d’Argonne du DOE.

La nouvelle méthode de l’équipe utilise plusieurs lectures simultanées de deux centres NV. En utilisant des techniques sophistiquées de calcul et de traitement du signal, ils ont obtenu des informations sur la relation entre les champs magnétiques aux deux points et ont pu dire si les deux lectures provenaient de la même source.

“Est-ce qu’ils voyaient le même champ magnétique? Est-ce qu’ils voyaient un champ magnétique différent? C’est ce que nous pouvons obtenir de ces mesures”, a déclaré Kolkowitz. “Ce sont des informations utiles auxquelles personne n’avait accès auparavant. Nous pouvons faire la différence entre le champ global que les deux capteurs voyaient et ceux qui étaient locaux.”

Pourquoi est-ce important

Les capteurs quantiques exploitent les propriétés quantiques des atomes ou des systèmes semblables à des atomes pour capter de minuscules signaux, tels que les champs magnétiques résultant du mouvement d’électrons uniques. Ces champs sont 100 000 fois plus faibles que ceux d’un aimant de réfrigérateur. Seuls des outils ultrasensibles tels que les capteurs quantiques peuvent effectuer des mesures aux plus petites échelles de la nature.

Les capteurs quantiques devraient être puissants. Les centres NV, par exemple, peuvent distinguer des caractéristiques séparées par à peine un dix millième de la largeur d’un cheveu humain. Avec ce type de capacité d’hyperzoom, les centres NV pourraient être placés dans des cellules vivantes pour un examen approfondi de leur fonctionnement. Les scientifiques pourraient même les utiliser pour identifier les causes de la maladie.

“Ce qui rend les NV spéciaux, c’est leur résolution spatiale”, a déclaré Kolkowitz. “C’est utile pour l’imagerie des champs magnétiques à partir d’un matériau exotique ou pour voir la structure de protéines individuelles.”

Avec la nouvelle méthode de l’équipe de Kolkowitz pour détecter les intensités de champ magnétique en plusieurs points simultanément, les scientifiques pourraient un jour être en mesure de cartographier les changements de niveau atomique dans le magnétisme à travers le temps et l’espace.

Comment ça fonctionne

Comment l’équipe a-t-elle effectué ces mesures informatives ? Ils sont devenus granuleux.

Plutôt que de faire la moyenne sur de nombreuses valeurs brutes pour arriver à l’intensité globale du champ magnétique, les chercheurs ont suivi les lectures individuelles à chaque centre NV, puis ont appliqué une manœuvre mathématique appelée “covariance” aux deux listes.

La comparaison des chiffres calculés par covariance, qui capturent plus de détails que quelques moyennes brutes, leur a permis de voir si les champs étaient corrélés.

“Nous faisons cette moyenne différemment de ce qui a été fait dans le passé, donc nous ne perdons pas ces informations dans le processus de moyenne”, a déclaré Kolkowitz. “Cela fait partie de ce qui est spécial ici.”

Alors pourquoi la magnétométrie de covariance, comme on appelle la méthode, n’a-t-elle pas été testée auparavant ?

D’une part, l’équipe a dû construire une configuration expérimentale pour prendre des mesures simultanées dans plusieurs centres NV. Ce microscope a été construit par l’équipe de Princeton, dirigée par la professeure Nathalie de Leon, membre du Co-Design Center for Quantum Advantage, un autre centre national de recherche en sciences de l’information quantique du DOE, dirigé par le Brookhaven National Laboratory.

D’autre part, la magnétométrie de covariance ne fonctionne que lorsque les mesures individuelles de ces minuscules champs magnétiques sont très fiables. (Une lecture est seulement aussi bonne que ses mesures contributives.) C’est pourquoi les chercheurs ont utilisé une technique spéciale appelée conversion spin-to-charge, qui produit une lecture brute avec plus d’informations sur le champ magnétique pour chaque mesure que d’autres outils couramment utilisés.

Avec la conversion spin-charge, les mesures individuelles prennent plus de temps. C’est le prix que les scientifiques paient pour une plus grande fiabilité.

Cependant, lorsqu’il est combiné avec la covariance pour mesurer de minuscules champs magnétiques corrélés, il permet de gagner beaucoup de temps.

“En utilisant la méthode conventionnelle, vous devriez faire une moyenne de 10 jours complets en continu pour obtenir une donnée indiquant que vous avez vu ce signal nanotesla corrélé”, a déclaré Kolkowitz, “alors qu’avec cette nouvelle méthode, c’est une heure ou deux. ”

En intégrant les informations de covariance à la conversion spin-charge, les chercheurs peuvent accéder à des détails atomiques et subatomiques qu’ils n’avaient pas auparavant, renforçant ainsi les capacités déjà puissantes de la détection quantique.

“Pour autant que je sache, c’est quelque chose que les gens n’avaient pas essayé de faire, et c’est pourquoi nous voyons ces corrélations là où personne d’autre n’a pu le faire”, a déclaré Kolkowitz. “Vous y gagnez vraiment.”

Plus d’information:
Jared Rovny et al, Magnétométrie à covariance à l’échelle nanométrique avec capteurs quantiques en diamant, Science (2022). DOI : 10.1126/science.ade9858

Fourni par Laboratoire National d’Argonne

Citation: Une nouvelle technique de détection quantique révèle des connexions magnétiques (16 février 2023) récupéré le 16 février 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-02-quantum-technique-reveals-magnetic.html

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