Précision de la taille du diamant : développement de capteurs en diamant pour l'expérience neutronique et la science de l'information quantique

Le groupe de physique nucléaire de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign recherche des preuves d'une nouvelle physique dans les neutrons, des particules électriquement neutres qui maintiennent les noyaux atomiques ensemble avec une interaction appelée la force forte. Des professeurs et des chercheurs participent à l'expérience nEDM au Oak Ridge National Laboratory qui mesurera le moment dipolaire électrique du neutron, une propriété qui permet aux neutrons d'interagir avec les champs électriques malgré leur neutralité. Une mesure précise contraindra les théories étendant le modèle standard actuel de la physique des particules. Pour y parvenir, les chercheurs doivent mesurer avec précision les changements subtils dans des champs électriques très puissants.

Le professeur de physique Douglas Beck a obtenu une bourse du Département de l'énergie pour développer des capteurs à base de diamant à lacunes d'azote, un matériau dont les propriétés quantiques à basse température le rendent inhabituellement sensible aux champs électriques. Son groupe de recherche a montré que le matériau peut mesurer des champs électriques puissants, et le prix permettra aux chercheurs de construire des capteurs prêts à être utilisés dans l'expérience nEDM. De plus, les propriétés quantiques du matériau en font un candidat prometteur pour la science de l'information quantique. Les chercheurs exploreront également ces applications potentielles.

Beck a expliqué que les impuretés d'azote, ou NV, ajoutées chimiquement confèrent au diamant une sensibilité inhabituelle au champ électrique. "Ces impuretés sont des régions avec un atome d'azote supplémentaire et un trou [ou une lacune] là où se trouveraient normalement les atomes de carbone", a-t-il déclaré. "Lorsque le matériau est refroidi à moins de 20 degrés au-dessus du zéro absolu, les impuretés forment un système quantique qui réagit aux champs électriques. C'est une caractéristique assez inhabituelle car peu de systèmes réagissent aux champs électriques, ce qui rend le diamant NV spécial."

Le système NV peut être rendu encore plus sensible lorsqu'il est préparé dans un état quantique particulier. Au lieu de laisser le système rester dans son état d'énergie le plus bas après l'avoir refroidi, les chercheurs forment une superposition quantique des états d'énergie le plus bas et le plus bas appelé un état sombre, ainsi nommé parce qu'il n'interagit pas avec la lumière. "Dans un sens, le nom est censé suggérer qu'il est immunisé contre les interactions avec l'environnement", a déclaré Beck. "Parce qu'il a une longue durée de vie, il a une énergie très précisément définie qui nous indique très précisément la taille du champ électrique."

Le groupe de Beck a démontré que ce phénomène permet au diamant NV de mesurer de forts champs électriques, et le prix permettra aux chercheurs de développer des capteurs fiables et robustes basés sur celui-ci. Cela impliquera de conditionner les capteurs dans des unités qui se connectent facilement aux lasers utilisés pour les contrôler et minimiser les effets du bruit de fond. Ils étudient également une technique quantique appelée découplage dynamique qui leur permettrait d'inverser efficacement les effets des imperfections expérimentales, selon Beck. Cela rendrait les mesures de champ électrique déjà précises encore plus précises.

Un autre objectif de la recherche est d'explorer des propositions d'utilisation du diamant NV dans la science de l'information quantique. La longue durée de vie de l'état sombre et sa résistance au bruit ambiant en font une plate-forme prometteuse pour la détection quantique et la mémoire quantique. De nombreuses applications de ce type dépendent du placement de systèmes quantiques dans des états comprimés qui possèdent l'incertitude minimale autorisée par le principe de Heisenberg. Il y a eu plusieurs propositions pour créer des états pressés dans le diamant NV, et le groupe de Beck étudiera leurs faisabilités.

Ce travail sera soutenu par 650 000 $ sur trois ans accordés par l'initiative Quantum Horizons dans le cadre du programme de physique nucléaire du ministère de l'Énergie.

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois