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Résultat scientifique | Spintronique

Contrôler le temps de vie d’un spin électronique par « relaxation Purcell »


Pour la première fois, des chercheurs de CEA-Iramis, en collaboration avec l’University College London et l’Université de Berkeley, ont réussi à ce que "l'émission spontanée microonde", domine les désexcitations non radiatives, dans la relaxation d’un spin électronique. Cette mise en œuvre spectaculaire de l’effet Purcell ouvre des perspectives radicalement nouvelles pour l’analyse par RPE (résonance paramagnétique électronique), la RMN et pour le développement d’un processeur quantique basé sur des spins individuels.​

Publié le 15 février 2016

​Le retour au « repos » (ou relaxation) d'un système quantique auquel on a transféré de l’énergie est un processus essentiel dans le traitement de l'information. S’il est trop rapide, impossible d’opérer une manipulation « cohérente ». S’il est trop lent, il limite le taux de répétition de l’expérience et impacte la sensibilité que l’on peut espérer atteindre.

Dans le cas des spins électroniques, la relaxation est très lente (> 30 minutes) et indirecte puisqu'essentiellement dominée par les interactions entre spins ou via les vibrations du réseau (phonons). Une méthode directe et efficace d’initialisation du spin à la demande n’est pas disponible aujourd’hui. À première vue, l’émission spontanée d’un photon microonde n’est pas le bon candidat. En effet, il faudrait attendre 30 000 ans pour qu’elle se produise !


Relaxer à volonté !

Or d’après des travaux du physicien américain et Prix Nobel Purcell, la probabilité d’émission spontanée peut être fortement augmentée si un système quantique est placé dans une cavité accordée à sa fréquence de résonance. L’effet Purcell a été observé avec des atomes réels et artificiels tels que des boîtes quantiques et il est à la base des sources de photons uniques les plus avancées. Bien qu'activement recherché, il n'avait jusqu'à présent jamais été observé pour des transitions de spin électronique dans le domaine microonde. C’est cet effet dans les solides que rapporte pour la première fois la collaboration.

En couplant le spin d'atomes donneurs (bismuth) implantés dans du silicium à une cavité micro-onde supraconductrice, les auteurs ont pu atteindre le régime où l’émission spontanée (associé à la transition entre les états spin up et down par rapport à un champ magnétique externe polarisant) constitue le mode dominant de relaxation. Cela se traduit par une diminution de trois ordres de grandeur du temps de relaxation (de mille à une seconde) lorsque la fréquence de résonance de la transition de spin est accordée exactement à celle de la cavité. Cette expérience prouve que la relaxation de spin peut être contrôlée à la demande, en « accordant » la transition à la résonance de la cavité.


Une cavité supraconductrice aux dimensions microniques

Pour atteindre le régime où l’effet Purcell est le mécanisme dominant de relaxation des spins, il faut réaliser à la fois un fort couplage entre le spin et la cavité micro-onde et disposer d'une cavité sans pertes internes. Les auteurs ont réussi ce tour de force en recourant à des matériaux supraconducteurs, qui autorisent un facteur de qualité du résonateur très élevé, et en réduisant les dimensions transverses de la cavité à quelques microns, de manière à confiner au maximum le champ microonde vu par les spins. La détection du spin est effectuée grâce à un spectromètre ultra-sensible développé au laboratoire, fonctionnant à une température de 10 mK. Le temps de relaxation des spins est mesuré par une expérience de résonance paramagnétique électronique (RPE) en fonction du désaccord avec la cavité.


Vers la résonance magnétique d’un spin unique !

Le résultat obtenu a de fortes implications pour les expériences de RPE et aussi dans le domaine du traitement de l’information quantique.

En RPE, le contrôle de la relaxation de spin par la cavité devrait résoudre le problème des temps de relaxation excessivement longs à basse température et ouvrir la voie à de nouveaux protocoles de polarisation dynamique de spin nucléaire (transfert de polarisation de spins électroniques à des spins nucléaires). Accorder la cavité à la fréquence d’une transition combinée de spin électronique et nucléaire doit favoriser la relaxation vers l’état de spin nucléaire désiré.

La capacité de moduler la relaxation de spin sur trois ordres de grandeur en ajustant simplement le champ magnétique appliqué sur moins de 0,1 mT ouvre aussi de nouvelles perspectives pour l'utilisation des spins comme support de l’information quantique (qubit). De longs temps de relaxation intrinsèques, recherchés pour bénéficier des longs temps de cohérence des spins, sont compatibles avec une initialisation rapide et à la demande du spin dans son état fondamental.

L’effet Purcell observé pourrait encore être amplifié en réduisant les dimensions transverses de la cavité microonde, pour atteindre une durée de relaxation à résonance de l'ordre de la milliseconde. Par détection synchrone la sensibilité du détecteur pourrait alors sa limite ultime : la mesure de la résonance magnétique d’un spin unique.

cavite-microonde.png

La cavité micro-onde est un micro-résonateur supraconducteur de très haut facteur de qualité constitué d’un condensateur en parallèle avec une inductance de 5 µm de large. Ce résonateur est couplé inductivement à l’ensemble de spins porté par des atomes de bismuth implantés dans un substrat de silicium. A droite : ce circuit est placé dans un porte échantillon en cuivre au cœur d'un réfrigérateur à dilution, l'ensemble étant refroidi à une température de 10 mK.

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