Détection et contrôle de la densité de spin microscopique dans les matériaux

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Les appareils électroniques utilisent généralement la charge des électrons, mais le spin – leur autre degré de liberté – commence à être exploité. Les défauts de spin rendent les matériaux cristallins très utiles pour les dispositifs quantiques tels que les capteurs quantiques ultrasensibles, les dispositifs de mémoire quantique ou les systèmes de simulation de la physique des effets quantiques. La variation de la densité de spin dans les semi-conducteurs peut conduire à de nouvelles propriétés dans un matériau – quelque chose que les chercheurs souhaitent explorer depuis longtemps – mais cette densité est généralement éphémère et insaisissable, donc difficile à mesurer et à contrôler localement.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du MIT et d'ailleurs a trouvé un moyen d'ajuster la densité de spin du diamant, en la modifiant d'un facteur deux, en appliquant un laser externe ou un faisceau micro-ondes. Selon les auteurs, cette découverte, rapportée cette semaine dans la revue PNAS, pourrait ouvrir de nombreuses nouvelles possibilités pour les dispositifs quantiques avancés. L'article est le fruit d'une collaboration entre les étudiants actuels et anciens des professeurs Paola Cappellaro et Ju Li du MIT et des collaborateurs du Politecnico de Milan. Le premier auteur de l'article, Guoqing Wang PhD '23, a travaillé sur sa thèse de doctorat dans le laboratoire de Cappellaro et est maintenant postdoctorant au MIT.

Un type spécifique de défaut de spin connu sous le nom de centre de lacunes d'azote (NV) dans le diamant est l'un des systèmes les plus étudiés pour son utilisation potentielle dans une grande variété d'applications quantiques. Le spin des centres NV est sensible à toute perturbation physique, électrique ou optique, ce qui en fait des détecteurs potentiellement très sensibles. "Les défauts de spin à l'état solide sont l'une des plates-formes quantiques les plus prometteuses", explique Wang, en partie parce qu'ils peuvent fonctionner dans des conditions ambiantes, à température ambiante. De nombreux autres systèmes quantiques nécessitent des environnements ultrafroids ou spécialisés.

"Les capacités de détection à l'échelle nanométrique des centres NV les rendent prometteurs pour sonder la dynamique de leur environnement de spin, manifestant une riche physique quantique à plusieurs corps encore incomprise", ajoute Wang. "Un défaut de spin majeur dans l'environnement, appelé centre P1, peut généralement être 10 à 100 fois plus peuplé que le centre NV et peut donc avoir des interactions plus fortes, ce qui le rend idéal pour étudier la physique à N corps."

Mais pour ajuster leurs interactions, les scientifiques doivent être capables de modifier la densité de spin, ce qui était rarement réalisé auparavant. Avec cette nouvelle approche, Wang déclare : « Nous pouvons régler la densité de spin afin qu'elle fournisse un bouton potentiel pour régler réellement un tel système. C'est la principale nouveauté de notre travail.

Un tel système réglable pourrait fournir des moyens plus flexibles d’étudier l’hydrodynamique quantique, explique Wang. Plus immédiatement, le nouveau processus peut être appliqué à certains dispositifs de détection quantique à l’échelle nanométrique existants afin d’améliorer leur sensibilité.

Li, qui occupe une fonction conjointe dans les départements de science et d'ingénierie nucléaires et de science et d'ingénierie des matériaux du MIT, explique que les ordinateurs et les systèmes de traitement de l'information d'aujourd'hui sont tous basés sur le contrôle et la détection de charges électriques, mais que certains dispositifs innovants commencent à être utilisés. de la propriété appelée spin. La société de semi-conducteurs Intel, par exemple, a expérimenté de nouveaux types de transistors qui couplent spin et charge, ouvrant potentiellement la voie à des dispositifs basés sur la spintronique.

"Les transistors CMOS traditionnels consomment beaucoup d'énergie", explique Li, "mais si vous utilisez le spin, comme dans cette conception Intel, vous pouvez alors réduire considérablement la consommation d'énergie." La société a également développé des dispositifs à qubits de spin à semi-conducteurs pour l'informatique quantique, et « le spin est quelque chose que les gens veulent contrôler dans les solides car il est plus économe en énergie et c'est également un vecteur d'informations quantiques ».