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Des trous spectraux micro-ondes qui persistent plus d’une semaine

Des trous spectraux micro-ondes qui persistent plus d’une semaine

Des chercheurs du groupe Quantronique du SPEC (UMR CEA-CNRS), en collaboration avec l’Université de Sherbrooke, la Chinese University of Hong Kong, Chimie ParisTech – PSL, l’IM2NP et l’Institut Néel (CNRS), ont montré qu’une modification spectrale créée par micro-ondes dans un cristal dopé à l’erbium peut persister pendant plus d’une semaine lorsqu’il est refroidi à 10 millikelvins. Jusqu’ici, conserver durablement de telles modifications restait particulièrement difficile dans des systèmes paramagnétiques comparables. En révélant un régime d’une stabilité exceptionnelle à très basse température, ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l’étude des cristaux dopés aux terres rares et leur utilisation pour le traitement et le stockage de l’information.

Les ions de terres rares possèdent des propriétés optiques et magnétiques qui les rendent particulièrement intéressants pour le traitement de l’information. Lorsqu’ils sont intégrés dans un cristal, il est possible de sélectionner, selon leur fréquence de résonance, une petite partie de ces ions et d’en modifier la population à l’aide de micro-ondes. On crée alors un « trou spectral », c’est-à-dire une modification très localisée de la réponse du matériau à une fréquence donnée. Le défi est de conserver cette empreinte suffisamment longtemps. Si des durées de plusieurs jours, voire plusieurs semaines, ont déjà été obtenues dans certains systèmes de terres rares non paramagnétiques, elles étaient jusqu’ici bien plus courtes dans les systèmes paramagnétiques étudiés : de quelques secondes à environ une minute.

Pour lever ce verrou, les chercheurs ont étudié un cristal de tungstate de calcium (CaWO₄) contenant une très faible concentration d’ions erbium, environ 3 parties par milliard, et l’ont refroidi à 10 mK, soit seulement 0,01 K au-dessus du zéro absolu. À l’aide d’un résonateur supraconducteur, ils excitent les spins électroniques de l’erbium par micro-ondes. La clé du phénomène réside dans leur interaction avec les spins nucléaires d’atomes voisins de tungstène-183 (183W), dont les états servent de niveaux auxiliaires et permettent de maintenir durablement la modification du profil spectral.

Les chercheurs montrent également qu’en répétant des paires d’impulsions micro-ondes, ils peuvent créer une structure périodique dans le spectre. Lorsqu’elle est ensuite excitée par une impulsion micro-onde, cette structure génère des impulsions micro-ondes retardées appelés « échos accumulés », un phénomène analogue à celui exploité dans les peignes de fréquences atomiques étudiés pour certaines mémoires quantiques optiques. Surtout, la durée de vie de ces structures augmente très fortement lorsque la température diminue. À 10 mK, les échos restent mesurables après six jours et l’analyse de leur décroissance révèle une composante lente dont la constante de temps atteint environ un mois.

Les expériences permettent également de mieux comprendre l’origine de cette stabilité. À proximité d’un ion erbium, certains spins nucléaires du tungstène deviennent presque isolés de leur environnement et relaxent donc extrêmement lentement : c’est l’effet dit de « cœur gelé ». Les mesures indiquent par ailleurs que la fréquence de résonance de la majorité des ions erbium dérive de moins de 10 kHz sur un mois à 10 mK, révélant une diffusion spectrale extrêmement faible à cette température.

Au-delà de ces durées de vie particulièrement longues, cette étude met ainsi en évidence les températures millikelvins comme un régime encore peu exploré et particulièrement intéressant pour les applications des ions de terres rares. La persistance de ces structures spectrales pourrait bénéficier à des protocoles de traitement et de stockage de l’information, notamment quantique. Des améliorations importantes restent néanmoins nécessaires pour réaliser une mémoire quantique, notamment en augmentant la modulation spectrale et le couplage entre l’ensemble de spins et le résonateur. Cette étude constitue ainsi une étape fondamentale vers la compréhension et la maîtrise de systèmes de spins particulièrement stables à température millikelvin.

Référence

Zhiren Wang, Sen Lin, Marianne Le Dantec, Miloš Rančić, Philippe Goldner, Sylvain Bertaina, Thierry Chaneliere, Renbao Liu, Daniel Esteve, Denis Vion, Emmanuel Flurin & Patrice Bertet. Week-long-lifetime microwave spectral holes in an erbium-doped scheelite crystal at millikelvin temperature. Nat Commun 16, 9032 (2025).

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