La spectroscopie par Résonance de Spin Electronique (ESR) permet de déterminer la concentration et les propriétés des espèces paramagnétiques présentes dans un échantillon, ce qui en fait un outil d’analyse important pour la biologie et la chimie. La sensibilité des spectromètres les plus performants à l’heure actuelle ne permet cependant pas de détecter moins de 107 spins en une expérience, ce qui limite l’applicabilité de la méthode à des échantillons macroscopiques.
Comme le rapporte dans un article de Nature Nanotechnology une collaboration de chercheurs autour de l'équipe quantronique du SPEC, Il est possible d’améliorer de 4 ordres de grandeur cette sensibilité en utilisant des techniques issues de la recherche sur les circuits supraconducteurs, permettant ainsi la détection de seulement 2 000 spins en une expérience et ouvrant la voie à la spectroscopie ESR de nano-échantillons.
L'objectif final ? Dans le cadre du projet ERC porté par Patrice Bertet : « Pousser la sensibilité de la méthode à sa limite quantique ultime », c’est-à-dire détecter un unique spin électronique ! Outre la possibilité d’effectuer la spectroscopie ESR de molécules uniques, ceci constituerait un tout premier pas vers le développement d’un processeur quantique à base de spins individuels intriqués et mesurés par des circuits électriques supraconducteurs.
Les dispositifs hybrides quantiques combinent circuit électrique supraconducteur et système quantique, pour des applications de détection ultra-bas-bruit et de traitement de l’information quantique. Un tel circuit a été utilisé pour repousser les limites de sensibilité d'expérience de Résonance de Spin Electronique (ESR). Il est constitué d'un micro-résonateur supraconducteur de très haut facteur de qualité, qui est couplé inductivement à l’ensemble de spins, dont le signal micro-onde de sortie est dirigé vers un amplificateur paramétrique microonde Josephson (JPA) ultra-bas bruit spécialement développé pour ce type d'expérience. L'ensemble est placé dans un réfrigérateur à dilution permettant d'atteindre une température de 10 mK.
Les spins étudiés sont portés par des atomes de bismuth 209 (porteur d'un spin nucléaire I=9/2 et d'un spin électronique S=1/2), implantés en très faible concentration dans une couche mince de silicium 28 (ne portant pas de spin électronique). Les transitions considérées sont celles entre les sous niveaux électronique de structure hyperfine dont la dégénérescence est levée par l'application d'un champ magnétique (effet Zeemann, B ~5 mT).
La mesure ESR est faite par une mesure d'écho de spin classique [i] (séquence de Hahn). Le dispositif réalisé a permis la détection de 1 700 spins, pour un signal d'écho unique et un rapport signal sur bruit de 1, soit 10 000 fois moins que la mesure la plus sensible réalisée jusqu'à présent, en 2014. De façon à améliorer le rapport signal sur bruit, il est possible d'appliquer une suite d'impulsion π et d'accumuler ainsi une suite d'échos (séquence de Car-Purcell-Meiboom-Gill – CPMG), avec comme limite le temps de cohérence T2 du système. Pour une séquence CPMG unique, le seuil de détection est alors abaissé à seulement 150 spins ! Cette très haute sensibilité est maintenant limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique, au lieu d'être usuellement limitée par le bruit thermique ou celui du circuit de détection. Un nouveau régime s'ouvre pour la résonance magnétique.
[i] Echo de spin : le système étant polarisé sous champ magnétique, une première impulsion microonde aligne les spins dans le plan perpendiculaire au champ polarisant (rotation de π/2). Les spins évoluent ensuite en précessant autour du champ polarisant, à une vitesse angulaire fonction de leur environnement. Une seconde impulsion microonde πy inverse alors les spins qui évoluent alors de façon à se retrouver en phase après un temps équivalent à celui qui séparait les deux premières impulsions excitatrices.
L'ensemble du dispositif réalisé a ainsi permis d'améliorer la sensibilité de détection ESR de plus de 4 ordres de grandeur par rapport à l'état de l'art. Cette détection d'un petit nombre de spin et les perspectives d'amélioration du dispositif permettent d'entrevoir la possibilité d'atteindre la limite ultime de ce type d'expérience : la détection d'un spin unique, objet du projet ERC « CIRQUSS » porté par Patrice Bertet [2].
Référence :
[1] Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance
A. Bienfait, 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, Nature Nanotechnology (2015).
Voir aussi : arXiv:1507.06831.
[2] Projet ERC CIRQUSS, P. Bertet.
Contact CEA : Patrice Bertet (IRAMIS/SPEC–Groupe quantronique).
Collaboration :
- Quantronics group, Service de Physique de l'Etat Condensé, DSM/IRAMIS/SPEC, CNRS UMR 3680, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette cedex, France,
- London Centre for Nanotechnology, University College London, London WC1H 0AH, United Kingdom,
- Institute of Electronics Microelectronics and Nanotechnology, CNRS UMR 8520, ISEN Department, Avenue Poincaré, CS 60069, 59652 Villeneuve dAscq Cedex, France,
- Accelerator Technology and Applied Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA,
- Dept. of Physics, Simon Fraser University,Burnaby, British Columbia V5A 1S6, Canada,
- Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, Ny Munkegade 120, DK-8000 Aarhus C, Denmark.