Utilisation d’un générateur arbitraire multi-voie de Spectrum par l'Université de Stuttgart

L’Université de Stuttgart exploite un générateur arbitraire multi-voie de Spectrum pour ses expériences sur les atomes






  • L’Université de Stuttgart a choisi un générateur de formes d’ondes arbitraires de Spectrum pour conduire ses expériences dans lesquelles des atomes d’un diamant sont remplacés par des atomes d’azote.
  • L’objectif est de pouvoir exploiter de tels procédés pour réaliser des détecteurs de champ magnétique à l’échelle atomique ou dans le domaine de l’informatique quantique.

 
Le département de physique de l’Université de Stuttgart effectue des recherches concernant notamment les centres de vacance d’azote (NV pour Nitrogen-Vacancy) dans le diamant, qui sont formés en retirant un atome de carbone et en le remplaçant par un atome d’azote pour former une paire NV.

Les centres de défauts NV peuvent être utilisés comme capteur de champ magnétique à l’échelle atomique, soit un dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’échelle nanométrique, capable de détecter l’interaction du spin du NV avec de minuscules champs magnétiques locaux mesurant à la fois leur force et leur fréquence. Cela peut être employé par exemple, pour mesurer l’intensité du champ magnétique des minuscules têtes de lecture/écriture sur les disques durs. La RMN à l’échelle nanométrique pourrait également être utilisée pour l’analyse structurelle d’une protéine ou de films minces, car contrairement à une RMN classique, il suffit de quelques spins pour caractériser ces minuscules échantillons.

Les NV peuvent également être utilisés en informatique quantique comme qubit (état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique, soit l’analogue quantique du bit) en utilisant deux états de spin et des superpositions entre eux. Ceci est particulièrement intéressant car ils présentent des états de rotation stables à température ambiante contrairement aux autres solutions qui requièrent de très bas niveaux de températures et de pressions.

Plusieurs NV sont créés (typiquement 5 nm) dans le diamant à une profondeur qui dépend de l’énergie utilisée pour implanter l’atome d’azote dans le réseau de diamant. L’objectif est de pouvoir les implanter un à un pour créer des matrices pour l’informatique quantique.

Le centre NV est manipulé avec des séquences d’impulsions d’excitation optique ainsi que des impulsions micro-ondes et radiofréquences. Ce qui nécessite la génération de séquences extrêmement précises de très courtes impulsions. Pour ce faire, un générateur de formes d’ondes arbitraires (AWG) de Spectrum doté des dix canaux de sortie (quatre canaux analogiques et six canaux numériques) est utilisé. La conception modulaire de ce générateur a permis d’ajouter six canaux de marqueurs numériques supplémentaires aux quatre canaux analogiques standard par l’ajout d’une carte fille interne pour fournir les connexions supplémentaires. L’AWG de la gamme NETBOX DN2.663-04 est une unité autonome qui se connecte via Ethernet à un PC de contrôle.

L’AWG contrôle le laser, le signal hyperfréquence par modulation IQ, la génération d’impulsions radiofréquence et le déclenchement des dispositifs d’acquisition de données pour déterminer l’état de spin. « Il conduit toute l’expérience grâce à son grand nombre de canaux de sortie », explique Thomas Oeckinghaus, doctorant en physique expérimental sur cette thématique. « Le facteur clé dans le choix du Spectrum AWG a été sa vitesse, car nos expériences nécessitent des impulsions très courtes allant de 10 à 20 nanosecondes. A 1,25 Géch./s, il peut les contrôler avec une résolution temporelle de 800 picosecondes. »

Lors de l’installation de ce générateur, le laboratoire n’a rencontré qu’un problème de pilote logiciel que Spectrum a corrigé dès le lendemain. « Le support après-vente peut souvent être négligé lors du choix d’un nouvel instrument », souligne le chercheur Thomas Oeckinghaus. « J’ai été vraiment impressionné de disposer d’une solution le lendemain. Cela me donne l’assurance que si jamais j’ai un problème, Spectrum le réglera rapidement. »

Chaque canal de l’AWG de Spectrum possède un convertisseur numérique-analogique 16 bits (DAC) qui peut générer des formes d’onde avec un contenu en fréquence de DC à 400 MHz pour émuler des signaux. Pour la génération de formes d’onde longues et complexes, l’AWG dispose de plusieurs modes de fonctionnement tels que Single-Shot, Loop, FIFO, Gating et Sequence Replay. L’AWG peut même émettre des signaux pendant que de nouvelles données de forme d’onde sont envoyées à la mémoire embarquée.