Le magnétomètre au diamant bat des records de sensibilité

En 1896, un jeune physicien du nom de Pieter Zeeman a été licencié pour avoir mené une expérience contre la volonté spécifique de son superviseur de laboratoire. Malgré les conséquences, l'expérience a conduit à une découverte remarquable qui a changé la vie de Zeeman.

L'expérience consistait à mesurer la lumière émise par des éléments placés dans un puissant champ magnétique. Lorsqu'il a fait cela, Zeeman a découvert que les raies spectrales étaient divisées par le champ. En 1902, il reçoit le prix Nobel de physique pour cette découverte connue aujourd'hui sous le nom d'effet Zeeman.

Il est particulièrement utile pour mesurer les champs magnétiques à distance. Par exemple, les astrophysiciens l'utilisent pour cartographier les variations du champ magnétique sur le soleil. Mais il peut également être utilisé pour mesurer des champs à une échelle beaucoup plus petite. En théorie, l'effet pourrait être utilisé pour observer l'influence d'un champ magnétique sur un seul atome.

Bien qu'ils ne soient pas allés aussi loin, Thomas Wolf de l'Université de Stuttgart en Allemagne et quelques copains se sont rapprochés. Ces gars-là ont utilisé les spectres d'atomes d'azote intégrés dans le diamant pour construire peut-être le magnétomètre le plus sensible jamais conçu. Ils disent que leur nouvel appareil pourrait bientôt être capable de mesurer le champ magnétique associé aux protons.

Tout d'abord, quelques informations sur les magnétomètres. Ces dernières années, les physiciens ont fabriqué des magnétomètres de plus en plus sensibles en utilisant une variété de techniques différentes. Un problème auquel ils se heurtent tous est que les champs magnétiques décroissent très rapidement avec la distance, comme 1/r^3.

Cela signifie que la taille du capteur a un impact important sur ce qu'il peut détecter, car le champ magnétique peut changer de manière significative dans tout le volume du capteur. Une tâche importante consiste donc à rendre les magnétomètres aussi petits que possible.

C'est là que le diamant entre en jeu. Le diamant est un cristal tridimensionnel fait de carbone. Cependant, lorsqu'un atome de carbone dans la structure est remplacé par de l'azote, cela produit un électron non lié supplémentaire.

Lorsque cet électron est excité par une lumière laser, il émet alors une fluorescence à une fréquence qui dépend de son environnement. Un champ magnétique en particulier peut modifier cette fréquence, via l'effet Zeeman, faisant des défauts d'azote dans le diamant un type de magnétomètre prometteur.

Bien sûr, adresser un seul atome dans une telle structure et enregistrer sa fluorescence avec précision est une affaire délicate. Wolf et co utilisent donc tout un ensemble de défauts d'azote dans un volume de diamant n'occupant qu'une fraction de millimètre cube. Ils estiment qu'il contient plusieurs milliards d'atomes d'azote.

Bien qu'un centre de cette taille soit de plusieurs ordres de grandeur plus grand qu'un atome individuel, il produit un signal fluorescent beaucoup plus facile à mesurer. Cela rend l'appareil pratique. Même à cette taille, le magnétomètre est l'un des plus petits jamais réalisés.

Pour découvrir la sensibilité, Wolf and co a mis l'appareil à l'épreuve, en éliminant soigneusement le bruit à chaque étape. Les résultats sont impressionnants. L'équipe a finalement mesuré une intensité de champ de seulement 100 femtoTesla. C'est comparable aux magnétomètres les plus sensibles de la planète. Et ils pensent qu'ils peuvent faire encore mieux avec des améliorations relativement simples qui devraient augmenter la sensibilité de deux ordres de grandeur.

Mais voici le problème : ce qui est unique avec cet appareil, c'est qu'il est à la fois petit et sensible, une combinaison jamais atteinte auparavant. Cela fait de cet appareil une sorte de recordman. Il peut mesurer l'intensité des champs magnétiques dans des volumes minuscules qui n'ont jamais été accessibles auparavant. En d'autres termes, il ouvre la détection de l'intensité du champ magnétique à une échelle entièrement nouvelle à l'aide d'un dispositif à semi-conducteurs qui fonctionne à température ambiante.

Un objectif dans ce domaine est de mesurer les champs magnétiques des protons dans l'eau. La sensibilité de cet appareil semble rendre cela possible. Cette valeur elle-même permet de détecter les spins des protons dans un volume résoluble au microscope en moins d'une seconde, explique Wolf and co.

Les magnétomètres sont utilisés dans un large éventail d'applications, allant de l'exploration minière et de l'archéologie au positionnement des systèmes d'armes et aux moniteurs de rythme cardiaque. Ainsi, un dispositif à semi-conducteurs robuste et très sensible qui fonctionne à température ambiante sera probablement utile. Zeeman aurait été impressionné.

Réf : arxiv.org/abs/1411.6553 : Un magnétomètre à diamant Subpicotesla

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