Les ensembles de spins dans les solides constituent une plateforme prometteuse pour les capteurs quantiques, mais leur lecture a longtemps été limitée par le bruit de grenaille photonique, qui masquait le bruit quantique propre des spins. Contrairement aux ensembles atomiques, où le bruit de projection a déjà été surmonté, les systèmes à l'état solide restaient dans la limite photonique. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches sur les centres NV du diamant et l'information quantique, où des travaux voisins explorent la mémoire quantique, le couplage entre spins et la sensibilité aux champs électriques.
L'expérience a été réalisée sur un microscope confocal maison à température ambiante. Une plaquette de diamant avec une fine couche de centres NV a été placée dans un aimant supraconducteur avec un champ de 2,7 T. Le contrôle micro-onde des spins électroniques à la fréquence de 73 GHz a été effectué via un résonateur, et le contrôle radiofréquence des spins nucléaires via un fil de cuivre. La lecture repose sur le re-mappage répété du spin nucléaire sur le spin électronique, suivi d'une lecture optique et d'une réinitialisation. L'astuce clé est la répétition multiple du cycle de lecture pour accumuler le signal et supprimer le bruit photonique.
Une réduction du bruit de 3,8 dB sous le niveau du bruit de projection thermique a été atteinte. Cela a permis d'observer directement les fluctuations d'un ensemble de 31(3) centres NV dans le spot confocal. La transition de la limite photonique à la limite de projection a été démontrée en augmentant le nombre de lectures répétées. La méthode a permis de suivre la largeur de la distribution de spin pendant les oscillations de Rabi et de distinguer les sources de bruit corrélées et non corrélées. Dans les expériences de relaxométrie et de découplage dynamique, des signes de corrélations spatiales induites par une source de bruit commune ont été détectés.
Ce travail démontre pour la première fois la lecture d'un ensemble de spins à l'état solide à la limite du bruit de projection, ce qui n'était auparavant accessible qu'aux systèmes atomiques. Cela comble le fossé fondamental entre les capteurs quantiques atomiques et ceux à l'état solide. La différence par rapport aux travaux voisins réside dans l'utilisation de la méthode de lecture répétée assistée par les noyaux sur un ensemble mésoscopique sous un champ magnétique élevé, ce qui a permis de dépasser la limite photonique et de mesurer directement les fluctuations quantiques.
Les développements futurs pourraient inclure l'application du compression de spin pour réduire le bruit de projection sous la limite quantique standard. La création d'un microscope à large champ où chaque pixel enregistre la distribution de spin est envisageable, permettant de cartographier les corrélations. L'utilisation dans les simulations quantiques pour extraire des cumulants d'ordre supérieur et observer des états à plusieurs corps non gaussiens est prometteuse.
Les résultats amélioreront la sensibilité des capteurs quantiques basés sur les centres NV de plusieurs ordres de grandeur, ce qui accélérera la RMN, l'IRM, la magnétométrie et la relaxométrie. La méthode est également applicable à la microscopie des signaux corrélés dans les matériaux magnétiques, les transitions de phase et le diagnostic des puces électroniques.
Implémentation du compression de spin dans des ensembles mésoscopiques à l'état solide pour dépasser la limite quantique standard. Développement d'une microscopie à large champ avec analyse pixel par pixel des distributions de spin.
En détection quantique, la question de l'atteinte et de l'utilisation d'états intriqués dans des ensembles à l'état solide à température ambiante reste ouverte. Ce travail fournit un outil pour l'observation directe des effets quantiques collectifs, nécessaire pour tester les théories de la physique à plusieurs corps.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Ce travail démontre une lecture directe non destructive de l'état quantique d'un ensemble mésoscopique de centres NV dans le diamant à température ambiante. La méthode de lecture répétée assistée par le noyau a réduit le bruit de 3,8 dB en dessous du niveau du bruit de projection thermique, ouvrant l'accès aux corrélations internes des spins.
Où est sa force
L'exploit clé est d'avoir surmonté le bruit de grenaille photonique et d'atteindre la limite de projection dans un système à l'état solide, ce qui n'était auparavant possible que pour des ensembles atomiques.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Atteindre la limite de projection dans un ensemble à l'état solide ouvre la voie à une métrologie améliorée par les effets quantiques et à l'observation directe de corrélations à plusieurs corps, ce qui pourrait considérablement accroître la précision des capteurs quantiques.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.55, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Le nombre de centres NV dans le spot confocal (31) a été déterminé à partir du niveau de bruit de projection, ce qui constitue la première comptabilisation directe des centres actifs sans effet destructif.