In 2020, the SPEC’s Quantronics team demonstrated that it was possible to build a single-photon sensor with an unmatched signal-to-noise ratio [1]. The device is based on an original quantum measurement method using a qubit coupled to a microwave resonator.
In this new publication, the GQ team and its collaborators show that such a sensor can be used to perform electron paramagnetic resonance (EPR) measurements, where the individual response of each spin becomes measurable.
La résonance paramagnétique électronique (RPE) est une méthode puissante pour sonder la matière de manière non-invasive. Placés dans un champ magnétique externe, les électrons porteur d’un spin non apparié dans un matériau se comportent comme de minuscules aimants avec le spin selon le champ. Lorsqu’ils sont soumis à une excitation électromagnétique radiofréquence, les spins entrent en précession autour de leur axe d’aimantation, à une fréquence bien précise. La précession de l’ensemble des spins génère un champ magnétique global oscillant, dont la détection donne le signal de résonance magnétique. La fréquence des oscillations étant modifiée par les interactions avec les noyaux proches, elle fournit des informations précieuses sur l’environnement chimique des électrons sondés dans le matériau.
Le principe de détection de la résonance magnétique a peu évolué depuis sa découverte : un capteur magnétique détecte le champ magnétique produit par l’excitation, puis le signal électrique est amplifié afin de mesurer l’amplitude de ses oscillations. Le niveau de bruit de la chaine de mesure est limité de façon ultime à basse température par le bruit quantique de point zéro* du champ électromagnétique. Le groupe Quantronique a ainsi atteint en 2020 une sensibilité de détection d’une dizaine d’électrons pour un temps d’intégration d’une seconde en exploitant les techniques mises au point pour les circuits supraconducteurs [1]. Pour dépasser cette limite dure, une nouvelle méthode doit être trouvée, qui permette de s’affranchir des fluctuations quantiques de point zéro. C’est possible avec une nouvelle stratégie qui exploite l’aspect corpusculaire du rayonnement. Ainsi, en remplaçant une mesure du champ électromagnétique, dont l’amplitude fluctue nécessairement, par un comptage de photon (dont le nombre N reste strictement nul, par définition dans le vide), il devient possible de s’affranchir du bruit quantique.
* bruit quantique de point zéro : fluctuation de tout système quantique dans son état fondamental, à température nulle.
Plongés dans un champ magnétique intense externe, les spins forment des systèmes à 2 niveaux bien séparés. L’écart d’énergie reste cependant faible, et la transition entre les 2 états correspond à l’émission/absorption d’un photon dans le domaine microonde (typiquement à la fréquence du wifi et de la 4G !). Un spin excité met alors un temps extrêmement long pour se désexciter radiativement vers son état fondamental, aligné selon le champ. Mais en couplant fortement un ensemble de spins à une cavité résonnante comme démontré en 2016 (effet Purcell [2]), la désexcitation radiative spontanée des spins devient possible, avec l’émission de photons uniques. Ce signal est alors constitué par la réponse individuelle de chaque spin, plutôt que de leur réponse magnétique collective. La détection à ces longueurs d’onde du tout petit nombre de photons émis reste toutefois très difficile en l’absence de détecteur approprié.
Figure : a) Dispositif expérimental (voir texte). b) signal donné par l’arrivée de photons individuels sur le capteur quantique de photons uniques. c) Evolution du nombre de photons mesurés, après l’impulsion micro-onde d’excitation : un excès de photon est bien mesuré durant le temps de désexcitation des spins dans la cavité résonnante. L’accord de résonance de la cavité est obtenu en ajustant le champ de polarisation.
En 2020, l’équipe quantronique de l’IRAMIS a mis au point un détecteur de photons uniques [3] fonctionnant dans la gamme micro-onde : les photons micro-onde de fluorescence reçus font transiter un bit quantique supraconducteur dans son état excité. Le bit quantique est ensuite mesuré avec une grande fidélité de manière répétée, générant des évènements (clicks !) de détection sur le détecteur (cf figure b).
Dans l’expérience publiée dans la revue Nature [4], ce détecteur est couplé à un petit ensemble (quelques milliers) de spins d’impuretés implantées dans du silicium (voir Figure a). Pour la première fois, les évènements individuels de relaxation des spins ont pu être détectés efficacement, puisque l’on observe un excès d’évènements pendant leur durée de vie dans la cavité (fig c).
Cette première preuve de principe montre une sensibilité fondamentalement accrue apportée par la mesure de la fluorescence micro-onde, comparée aux méthodes historiques de mesures de résonance magnétique. Avec de larges possibilités d’amélioration, la méthode ouvre de nouvelles voies pour la RPE sur des objets biologiques uniques, comme une cellule ou une protéine, et surtout pour l’exploitation de la cohérence quantique extraordinaire des niveaux de spin électronique ou nucléaire dans le traitement de l’information quantique.
Références :
[1] “Electron spin resonance spectroscopy with femtoliter detection volume.”
V. Ranjan, S. Probst, B. Albanese, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J. Morton, P. Bertet, Applied Physics Letters (2020).
[2] “Controlling spin relaxation with a cavity.”
A. Bienfait, J.J. Pla, Y. Kubo, X. Zhou, M. Stern, C.C. Lo, C.D. Weis, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J. Morton, P. Bertet, Nature (2016).
[3] “Irreversible qubit-photon coupling for the detection of itinerant microwave photons.
R. Lescanne, S. Deléglise, E. Albertinale, U. Réglade, T. Capelle, E. Ivanov, T. Jacqmin, Z. Leghtas, E. Flurin, Physical Review X (2020).
[4] “Detecting spins by their fluorescence with a microwave photon counter”
E. Albertinale, L. Balembois, E. Billaud, V. Ranjan, D. Flanigan, T. Schenkel, D. Estève, D. Vion, P. Bertet, E. Flurin, Nature 600 (2021) 434 – ArXiv 2102.01415.
Voir aussi : “Détecter un unique photon, porteur d’information quantique” (2020).
Contact CEA : Emmanuel Flurin (SPEC – Groupe quantronique)
Collaboration :
- Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, SPEC, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
- National Physical Laboratory, Hampton Road, Teddington, Middlesex, TW11 0LW, UK
- Accelerator Technology and Applied Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA.