N-V

Un centre N-V est un défaut ponctuel dans le réseau cristallin du diamant où un atome d'azote est adjacent à une lacune, ou un atome de carbone manquant. La lacune laisse derrière elle un électron non apparié qui peut exister dans différents états de spin. Ce défaut absorbe et émet de la lumière dans la région du proche infrarouge autour de 637 nanomètres, ce qui le rend visible sous un microscope à fluorescence standard.

Le centre N-V est devenu important dans la détection quantique et l'informatique quantique car son spin électronique peut être manipulé avec un rayonnement micro-ondes et lu optiquement. L'état de spin persiste pendant des millisecondes à température ambiante, suffisamment longtemps pour une mesure pratique. Cette combinaison d'adressabilité optique et de cohérence de spin est rare; la plupart des défauts ponctuels émettent mal la lumière ou ont des temps de cohérence courts.

Deux configurations existent: le N-V− chargé négativement, qui est la forme fluorescente stable dans le diamant de haute pureté, et le N-V0 neutre, qui est moins utile mais présent dans différents états de charge selon le niveau de Fermi. L'état N-V− peut être pompé optiquement et réinitialisé de manière fiable, ce qui le rend adapté aux protocoles quantiques qui nécessitent une initialisation d'état.

Applications et exigences matérielles

Un matériau hôte de diamant de haute qualité est essentiel. Les diamants naturels contiennent des impuretés indésirables; le diamant synthétique cultivé par dépôt chimique en phase vapeur ou par des méthodes à haute pression et haute température offre un meilleur contrôle. Le niveau de dopage à l'azote doit être optimisé: trop d'azote crée des interactions spin-spin indésirables et élargit les raies spectrales; trop peu réduit la densité de centres utilisables. Les concentrations de travail typiques sont de quelques parties par million à des dizaines de parties par million.

Les centres N-V servent de magnétomètres, mesurant les changements de champ magnétique inférieurs à la gamme du nanotesla lorsqu'ils sont utilisés en ensemble ou en format monocentre. Ils fonctionnent également comme des capteurs de température exploitant la dépendance en température du dédoublement en champ nul. La recherche sur l'intrication multicentres traite les réseaux N-V comme des processeurs quantiques primitifs. En dehors du laboratoire, le diamant à lacunes d'azote est intégré dans des dispositifs de magnétométrie pour l'imagerie biomagnétique et les applications de détection de champ où la sensibilité et le fonctionnement à température ambiante sont requis.