Service de Physique de l'Etat Condensé

23 janvier 2018
Spectroscopie de résonance magnétique ultra-sensible grâce aux circuits supraconducteurs
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La résonance magnétique a un impact important dans nos vies de tous les jours, de l’imagerie médicale au contrôle qualité dans la production de bière. Cette technique utilise de puissants aimants et des impulsions radio-fréquence ou micro-ondes pour révéler de faibles concentrations de molécules dans une substance. Améliorer la sensibilité – ce qui peut être obtenu en augmentant le signal ou en réduisant le bruit – permet à de plus faibles quantités de matériel d’être mesurées et constitue donc une quête incessante de la discipline.

Depuis 2015 les chercheurs du groupe Quantronique du SPEC (IRAMIS), au sein d’une collaboration avec des chercheurs de UCL à Londres et de l’université de Aarhus au Danemark, appliquent les techniques des circuits supraconducteurs quantiques refroidis à ultra-basse température (10 millikelvins) à la résonance magnétique. En particulier les spins électroniques sont couplés à un résonateur supraconducteur fabriqué à la surface de l’échantillon dont les dimensions transverses du fil servant d’inductance (cf figure 2) sont de l’ordre de quelques micromètres afin de confiner le champ micro-onde et d’exalter l’interaction avec les spins. Les premiers résultats obtenus en 2016 avaient montré une sensibilité record de 1700 spins détectables avec un rapport signal-à-bruit de 1 en 1 seconde d’intégration [1]. Dans cette expérience, les très basses températures nous permettaient de supprimer complètement la composante thermique du bruit, mais il restait les fluctuations quantiques du champ micro-onde dans son état fondamental (le vide).

En 2017 les chercheurs ont amélioré ces résultats en réalisant deux expériences différentes.

 

Figure 1 : Utilisation d’états comprimés pour la résonance magnétique. Gauche : représentation schématique du principe de l’expérience. Il s’agit d’injecter un état comprimé du champ micro-onde à l’entrée du résonateur contenant les spins. Le champ comprimé est représenté comme une ellipse dans l’espace « amplitude-phase », décrivant la réduction du bruit sur l’une des « quadratures » du champ au dépens de celle qui lui est orthogonale. Droite : Signaux d’écho de spin en présence (rouge) et en absence (bleu) de l’état comprimé. Lorsque l’état comprimé est présent, l’écho de spin (dont on voit la valeur moyenne au milieu) est moins bruyant, comme le prouve l’histogramme de droite des valeurs mesurées de l’écho de spin

 

Dans une première expérience (figure 1), ils ont trouvé le moyen de réduire le bruit du spectromètre encore en-dessous des fluctuations quantiques du vide [2]. Si le principe d’incertitude de Heisenberg limite l’incertitude combinée de deux variables dites conjuguées, il n’interdit pas de fabriquer des états dans lesquels l’incertitude d’une variable est réduite aux dépens de l’autre. Ces états sont appelés «états comprimés » et ils fournissent une méthode pour effectuer des mesures qui vont au-delà de la limite des fluctuations quantiques du vide. Dans l’expérience un amplificateur paramétrique Josephson génère un état comprimé du champ micro-onde qui est ensuite envoyé à l’entrée du spectromètre (voir figure 1). Dans cet état, les fluctuations qui sont en phase avec le signal émis par les spins électroniques que nous cherchons à détecter sont réduites, alors que le bruit en quadrature de phase est lui amplifié. Du coup le rapport signal-à-bruit de la mesure des spins est amélioré de 1.2dB comme on peut le voir sur la figure 1. Malgré la relativement modeste amélioration du rapport signal-à-bruit apporté par les états comprimés, ce résultat est marquant d’un point de vue fondamental puisqu’il s’agit de la première application d’états non-classiques du champ électromagnétique au domaine de la résonance magnétique.

 

 

Figure 2 : Gauche : descriptif schématique du dispositif expérimental. Le spectromètre consiste en un micro-résonateur de type RLC. Il est couplé à un ensemble de spins qui sont polarisés par un champ magnétique, et refroidis à 12mK. Des impulsions micro-ondes permettent de contrôler les spins ; le signal de sortie qui contient le signal de spin est amplifié par un amplificateur paramétrique supraconducteur. Droite, en haut : Schéma du micro-résonateur. Le condensateur C est un peigne interdigité en aluminium. L’inductance est un fil de 500nm de large et de 100 micromètres de long. Les spins sont situés en-dessous de ce fil. Une photographie de l’échantillon dans son porte-échantillon est montrée sur la photographie de gauche. Droite, en bas : trace expérimentale typique, montrant les deux impulsions de contrôle et le signal d’écho de spins qui provient de 200 spins environ.

 

Dans une seconde expérience (figure 2), les chercheurs ont optimisé le design du circuit supraconducteur, en réduisant ses dimensions transverses en-dessous d’un micromètre (avec une inductance de largeur 500nm). Cela leur a permis d’améliorer la sensibilité encore d’un ordre de grandeur [3], atteignant une sensibilité suffisante pour détecter 65 spins en une seconde d’intégration qui constitue le record actuel de la résonance magnétique à détection inductive. Cette sensibilité est suffisante pour envisager des applications nouvelles en biochimie, par exemple mesurer le signal de résonance magnétique provenant d’une cellule unique. Et puis, encore un petit effort, et la détection d’un unique spin semble à portée de main.

 

[1] Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance A. Bienfait, J. J. Pla, Y. Kubo, M. Stern, X. Zhou, C. C. Lo, C. D. Weis, T. Schenkel, M.L.W. Thewalt, D. Vion, D. Esteve, B. Julsgaard, K. Moelmer, J.J.L. Morton, P. Bertet, Nature Nanotechnology 11, 253 (2016).

[2] Magnetic Resonance with Squeezed Microwaves A. Bienfait, P. Campagne-Ibarcq, A.H. Kiilerich, X. Zhou, S. Probst, J. J. Pla, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J.L. Morton, K. Moelmer, P. Bertet, Phys. Rev. X 7, 041011 (2017).

[3] Inductive-detection electron-spin resonance spectroscopy with 65 spins/√Hz sensitivity S. Probst, A. Bienfait, P. Campagne-Ibarcq, J.J. Pla, B. Albanese, J.F. Da Silva Barbosa, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, K. Moelmer, J.J.L. Morton, R. Heeres, P. Bertet, Appl. Phys. Lett. 111, 202604 (2017).

 

Maj : 25/01/2018 (2821)

 

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