Ce diamant défectueux pourrait être le meilleur ami d'un physicien quantique

Elisabeth Rülke travaille à l'amélioration de la détection quantique pour sa thèse de recherche à l'Université de Princeton

Les acheteurs aiment les diamants sans défaut, mais pour les physiciens quantiques, les défauts sont la meilleure partie.

La senior Elisabeth Rülke a passé l'année dernière à utiliser des lasers et des diamants défectueux - de minuscules tranches de diamant avec des défauts de la taille d'un seul atome - pour développer un capteur quantique.

La plaquette transparente au centre de l'équipement est une plaque de diamant, fabriquée avec précision pour avoir 2 mm de côté et 0,3 mm d'épaisseur, avec des défauts de taille atomique sur lesquels Rülke et sa conseillère Nathalie de Leon font briller des lasers verts et orange.

Contrairement aux ordinateurs quantiques, encore plus théoriques que pratiques, les capteurs quantiques sont déjà utilisés. Rülke et son conseiller, la physicienne quantique Nathalie de Leon, travaillent sur une nouvelle approche de la détection quantique qui dépend de l'utilisation simultanée de deux de ces défauts à un seul atome.

"Parce qu'ils sont si, si petits, vous pouvez commencer à cartographier et à ressentir des choses à une échelle qui n'a jamais été réalisable auparavant", a déclaré Rülke, un concentrateur de physique poursuivant un certificat en mathématiques appliquées et informatiques. "Ce serait révolutionnaire pour la chimie, la biologie et surtout les dispositifs médicaux."

"Travailler avec des étudiants très brillants comme Elisabeth est toujours un privilège", a déclaré de Leon, professeur agrégé de génie électrique et informatique qui est professeur associé au département de physique. "Elle apporte une nouvelle perspective et une vision différente des choses, et cela a apporté un peu plus de créativité sur le projet que je ne pense qu'il se serait produit autrement. J'ai de la chance d'être à Princeton et d'avoir ces étudiants vraiment formidables qui frappent à ma porte."

Rülke savait avant de venir à Princeton qu'elle voulait étudier la physique et l'astronomie, mais elle savait aussi qu'elle voulait profiter pleinement des arts libéraux. "J'ai suivi des cours d'histoire, de philosophie, de religion, d'entrepreneuriat, de cinéma, d'art et autres, et je crois que cela a été la pierre angulaire de mon expérience à Princeton. La partie merveilleuse de l'éducation en arts libéraux de Princeton est qu'elle vous permet de suivre des cours dans une gamme de matières, ce qui signifie que ce que vous choisissez de vous spécialiser n'est pas le seul objectif de votre éducation, comme c'est le cas dans la plupart des universités britanniques et une raison importante pour laquelle je voulais étudier aux États-Unis ", a déclaré Rülke, qui est né et a grandi à Londres.

"Je pense qu'il y a un chevauchement dans la pensée critique et créative utilisée à la fois dans les cours de physique et de mathématiques de niveau supérieur et dans les matières de sciences humaines", a-t-elle ajouté.

Lorsque Princeton a fermé son campus à l'enseignement en personne en mars de la première année de Rülke, elle est rentrée chez elle à Londres pour suivre des cours Zoom. Cet été-là, lorsque les restrictions de voyage se sont assouplies, elle et un camarade de classe de Princeton ont emménagé dans un appartement à Rome. "J'ai suivi un cours d'histoire de l'art cet automne, et c'était incroyable", a déclaré Rülke. "Je me souviens qu'une mission nous demandait d'aller chercher de l'art 'où que vous soyez.' La plupart de mes camarades de classe ont regardé, genre, une théière de chez eux, et j'ai choisi une sculpture du Bernin."

Après son retour sur le campus, elle a décidé de concentrer son premier article junior sur une question vraiment énorme : la nature de l'énergie noire dans l'univers.

"Elle n'avait pas suivi de cours de relativité générale, elle n'avait pas suivi de cours de cosmologie et elle n'était pas intimidée du tout", a déclaré Paul Steinhardt, professeur de sciences Albert Einstein à Princeton et professeur de physique qui était son conseiller sur cet article. "C'était clairement un étirement pour elle, mais elle était juste pleine d'énergie et d'enthousiasme. J'aime vraiment voir une étudiante s'étirer et apprendre, et cela a certainement caractérisé Elisabeth. Elle s'est cassé la jambe ce semestre, mais elle est toujours venue à nos réunions hebdomadaires avec enthousiasme et joie et beaucoup de bonnes questions de recherche."

Après avoir travaillé ensemble sur cet article, Steinhardt a été le deuxième lecteur du deuxième article junior de Rülke, puis a repris ce rôle pour sa thèse senior. "J'aurai lu toutes ses thèses d'ici à ce que nous en ayons fini", a-t-il déclaré.

Rülke est venue à Princeton sachant qu'elle voulait se plonger dans les STEM - science, technologie, ingénierie et mathématiques - et plus particulièrement dans la physique et l'astronomie.

"Les départements d'astrophysique et de physique de Princeton sont absolument incroyables", a-t-elle déclaré. "Je me sens tellement chanceux. Quand j'ai visité Princeton après mon arrivée, je suis allé voir l'ancienne salle de classe d'Einstein et j'ai marché jusqu'à sa maison, qui est près du campus."

Au laboratoire, Rülke effectue un balayage confocal pour localiser les centres NV dans un réseau de diamants.

Après avoir abordé la cosmologie théorique pour son premier projet de recherche indépendant, elle a voulu essayer quelque chose de plus pratique, alors elle a fait son deuxième article junior sur la propulsion plasmique. "Les deux étaient très, très intéressants. Le premier était très théorique et le second était presque trop expérimental", a-t-elle déclaré. "En fait, je grimpais dans un réservoir de poussée avec des outils et je bricolais des trucs là-dedans. Donc pour ma thèse, je voulais quelque chose au milieu."

Sa large perspective a bien servi Rülke alors qu'elle s'attaque à la détection quantique, un problème qui a réuni des professeurs de physique, de chimie et d'ingénierie dans le but de s'attaquer à un large éventail de problèmes, de la biophysique et des applications biomédicales à la physique de la matière condensée et à la conception de nouveaux capteurs de navigation.

"La philosophie générale de mon groupe de recherche est d'essayer de voir les problèmes sans frontières autant que possible", a déclaré de Leon. "Notre approche des problèmes a tendance à commencer par, 'Que faut-il pour résoudre cela? Nous avons toute la physique et toute la chimie et toute l'ingénierie des matériaux - tous les outils de l'humanité - alors voyons si nous pouvons MacGyver notre chemin vers une solution.' Elisabeth s'intègre définitivement comme un poisson dans l'eau."

Les diamants sont faits de carbone pur, tout comme le charbon de bois et le graphite des crayons. Mais vous pouvez écrire avec des crayons (et du fusain) car ces atomes de carbone sont organisés en feuilles qui se séparent avec la moindre pression, laissant des marques.

Les atomes de carbone d'un diamant, en revanche, ont été forcés ensemble par une pression énorme, les serrant les uns contre les autres dans une toile parfaite et complexe. Cela permet une autre propriété unique : lorsqu'un atome d'azote pousse et déplace deux atomes de carbone, il crée un minuscule défaut appelé "centre de vacance d'azote" ou "centre NV".

Les centres NV se comportent comme de minuscules aiguilles de boussole et ont été utilisés dans des capteurs quantiques capables de mesurer des champs magnétiques. Alors qu'il était en quarantaine à la maison pendant la pandémie de COVID, de Leon a commencé à se demander ce qui se passerait s'il y avait deux centres NV, séparés avec précision dans une puce de diamant.

Il s'avère que s'il est beaucoup, beaucoup plus difficile de mesurer simultanément deux lacunes d'azote, une fois que vous le faites, vous pouvez mesurer de nouvelles quantités physiques, à savoir des corrélations dans le champ magnétique dans l'espace et le temps. Avec des mesures simultanées de deux centres NV, un tout nouveau monde de mesures à l'échelle nanométrique est possible, a déclaré de Leon.

"C'est une chose fondamentalement nouvelle", a-t-elle déclaré. "Le monde est notre huître. Nous pouvons utiliser cette nouvelle technique qui mesure une quantité physique complètement nouvelle. Alors nettoyons ! Regardons tout ce que les gens essayaient de faire dans les années 80 et qui se sont retrouvés bloqués parce qu'ils n'avaient pas le bon outil. Peut-être qu'il y a de la physique vraiment cool que nous pouvons apprendre. C'est là qu'Elisabeth entre en jeu."

Le voyage de l'inspiration pandémique à la mesure simultanée de deux centres NV a pris des années. De Leon et un post-doctorant de son laboratoire, Jared Rovny, ont passé 18 mois à faire des calculs et plus que cela pour comprendre comment construire un outil qui vous permet de faire briller des lasers sur deux objets de taille atomique, puis de compter les photons qui s'envolent. Ils ont d'abord démontré cette technique avec une résolution de 500 nanomètres. (À titre de comparaison, la période à la fin de cette phrase est d'environ un million de nanomètres de diamètre.) La thèse principale de Rülke s'est concentrée sur l'amélioration de cette résolution de 500 nanomètres à 10 nm ou peut-être même un seul nanomètre.

Rülke attribue à ses cours et à ses projets de recherche indépendants à l'université le développement de sa capacité à naviguer dans l'incertitude et à relever les défis de front.

"Je me souviens d'un examen de physique de trois heures qui ne comportait que deux questions. Vous devez passer tellement de temps à chercher dans l'obscurité, à essayer de réfléchir à la façon de faire cela, à quelle méthode commencer - et à développer les compétences nécessaires pour faire de vous une personne avec la capacité de penser vraiment de manière critique et de ne pas avoir peur si vous vous attaquez à un problème dont vous ne pouvez pas vraiment voir la fin ou si vous ne savez pas vraiment comment le résoudre.

"Au lycée, je détestais ce genre de problèmes", a-t-elle déclaré. "J'ai aimé trouver la réponse et bien faire les choses. Cette croissance s'est produite à Princeton."

Elle et de Leon ont tous deux apprécié leurs séances hebdomadaires de conseil en thèse.

"J'ai suffisamment d'autonomie pour décider exactement ce que je veux faire", a déclaré Rülke. Mais de Leon fournit également suffisamment d'aide "pour s'assurer que j'ai les bonnes connaissances de base".

"Elle se présente toujours à mon bureau extrêmement ensoleillée et très enthousiaste", a déclaré de Leon à propos de Rülke. "Je ne sais pas d'où elle tire toute cette énergie. Même si c'est au milieu de la saison de mi-parcours ou de la saison des candidatures, elle se montre quand même et se dit : "D'accord, voici ce que j'ai fait. Regardez toutes mes données. Discutons-en. Voici mon plan. Je pense que ce truc est vraiment intéressant.""

Rülke et sa directrice de thèse, la physicienne quantique Nathalie de Leon (à droite), mesurent simultanément deux centres de lacune d'azote. De Leon et son postdoc Jared Rovny ont d'abord démontré cette technique avec une résolution de 500 nanomètres, et la thèse principale de Rülke s'est concentrée sur l'amélioration de cette résolution jusqu'à 10 nm ou peut-être même un seul nanomètre.

Rülke fait visiter à ses parents le Cottage Club à l'automne 2022.

En dehors de ses cours, Rülke est membre du Mathey College et elle est présidente de la diversité, de l'équité et de l'inclusion du University Cottage Club. Elle s'est impliquée dans l'entrepreneuriat par le biais du Keller Center et du Entrepreneurship Club, et elle s'est rendue en Californie avec le Silicon Valley Tiger Track pour rencontrer des entrepreneurs, des sociétés de capital-risque et des entreprises liées à l'espace.

Elle a reçu le prix commémoratif Manfred Pyka en physique, décerné à des étudiants de premier cycle en physique exceptionnels qui ont fait preuve d'excellence dans leurs travaux de cours et prometteurs dans la recherche indépendante; la bourse Jocelyn Bell Burnell, visant à encourager les femmes à poursuivre des études en physique; et la bourse Schwarzman, qui couvre le coût d'un programme de maîtrise d'un an à l'Université Tsinghua de Pékin.

Rülke dit qu'elle se sent « attirée par le fait d'être une citoyenne du monde », étant née au Royaume-Uni d'un père allemand et d'une mère chinoise.

"Mon identité culturelle est compliquée", a-t-elle déclaré. "J'ai de la famille dans différentes parties du monde, et parfois, être métis signifie que vous ne vous sentez pleinement à l'aise nulle part. En rendant visite à de la famille en Allemagne ou en Chine, je n'ai jamais ressemblé à personne d'autre.

"En tant qu'enfant, je me sentais parfois mal à l'aise, mais en grandissant, j'ai commencé à l'apprécier", a déclaré Rülke. "Je pense que se démarquer est bien mieux que de disparaître dans la foule."

Cet ensemble élaboré de miroirs, de lentilles et de galvonomètres à balayage achemine et collecte la lumière dans ce microscope fait maison pour la détection quantique.

Rülke enfile des lunettes de sécurité avant de tirer des lasers dans des défauts de la taille d'un seul atome qui sont plus proches que la longueur d'onde de la lumière.

Rülke (à gauche) se rend au Caire avec sa famille en 2009.

Elisabeth Rülke est une classe de 2023 majeure en physique avec une mineure en mathématiques appliquées et computationnelles.