La technique reine pour sonder les spins électroniques est la Résonance paramagnétique électronique (RPE, voir ci-dessous) mais sa sensibilité ne permet pas de sonder un petit nombre de spins.
Grâce à leur expérience dans le domaine des circuits supraconducteurs, des physiciens de l'Iramis étaient parvenus à abaisser la sensibilité de détection en RPE à une dizaine d'électrons pour un temps d'intégration d'une seconde. Pour aller au-delà, il était nécessaire de s'affranchir des fluctuations quantiques de l'état d'énergie la plus faible possible (dite du point zéro). C'est la prouesse que réalisent aujourd'hui les chercheurs en recourant au comptage de photons.
Ils couplent à une cavité résonante quelques milliers de spins électroniques d'impuretés implantées dans du silicium. Cette configuration permet à ces systèmes quantiques à deux niveaux d'énergie proches de se désexciter, par effet Purcell, en émettant des photons microonde uniques. Ce tout petit nombre de photons peut alors être détecté grâce à un astucieux détecteur de photons microonde uniques (voir ci-dessous).
Cette sensibilité remarquable, en rupture avec celle de la RPE classique, ouvre la voie à de multiples applications tant pour le traitement quantique de l'information que pour l'analyse d'objets biologiques individuels comme des cellules ou des protéines.
RPE, mode d'emploi
La RPE (Résonance paramagnétique électronique) est l'analogue pour les spins électroniques de la RMN (Résonance magnétique nucléaire) pour les spins nucléaires. Elle consiste à sonder l'échantillon, en présence d'un champ magnétique, grâce à deux impulsions radiofréquence successives et à détecter « l'écho de spin » émis en réponse. La fréquence des oscillations étant modifiée par les interactions avec les noyaux les plus proches, le signal de RPE apporte des informations sur l'environnement chimique des électrons sondés dans le matériau.
Un astucieux détecteur de photons microonde uniques
Les photons microonde de fluorescence émis par les spins électroniques font transiter un bit quantique supraconducteur dans son état excité, ce qui déclenche la possibilité de détection avec une grande fidélité et un bruit quasi-nul.