Des scientifiques de l’Université de Tokyo ont réussi la tâche délicate d’agencer des capteurs quantiques à l’échelle nanométrique, leur permettant de détecter des variations extrêmement faibles des champs magnétiques. Les capteurs quantiques à haute résolution auront des utilisations potentielles dans la recherche sur les matériaux quantiques et les dispositifs électroniques. Par exemple, les capteurs peuvent aider à développer des disques durs qui utilisent des matériaux nano-magnétiques comme éléments de stockage. Il s’agit de la première imagerie de champ magnétique à haute résolution réussie au monde utilisant un agencement à l’échelle nanométrique de capteurs quantiques.
Les capteurs nous entourent dans notre vie quotidienne, des lumières de garage aux détecteurs de fumée et même aux atomes. Les capteurs quantiques détectent l’environnement qui les entoure en utilisant les propriétés d’un atome. Par exemple, un atome change son spin, qui prend deux valeurs comme les pôles d’un aimant, en réponse à un champ magnétique. Les capteurs de champ magnétique ont de nombreuses applications dans les appareils biomédicaux et la recherche sur les matériaux quantiques, y compris les supraconducteurs.
Kento Sasaki, professeur adjoint à l’Université de Tokyo, déclare : « En utilisant un tel capteur sans précédent, nous voulons observer un monde microscopique que personne n’a jamais vu.
Les chercheurs souhaitaient développer des capteurs quantiques stables placés à proximité des cibles telles que des fils et des disques. Mais jusqu’à présent, il était difficile d’organiser avec précision les atomes pour obtenir la capacité de détecter des variations infimes du champ magnétique.
« Bien que les capteurs quantiques individuels soient petits, leur résolution spatiale est limitée par la distance entre le capteur et la cible de mesure », explique Sasaki. Pour résoudre le problème, les chercheurs ont mis au point une technique de création de capteurs quantiques de taille nanométrique à la surface de la cible de mesure.
En tant que capteurs quantiques, l’équipe a utilisé des lacunes de bore ou des défauts de réseau dans le nitrure de bore hexagonal bidimensionnel, un matériau cristallin mince contenant des atomes d’azote et de bore. Le défaut de vacance de bore est le petit nouveau du bloc depuis sa découverte en tant que capteur de spin quantique en 2020.
En retirant le ruban adhésif du cristal, l’équipe a obtenu un mince film de nitrure de bore hexagonal. Les chercheurs ont attaché le film mince au fil d’or cible. Ensuite, ils ont bombardé le film avec un faisceau d’ions d’hélium à grande vitesse, faisant ainsi sortir des atomes de bore et formant des points de lacune de bore de 100 nm2.
Chaque point contient de nombreuses lacunes de la taille d’un atome qui se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques. Plus les spots sont proches les uns des autres, meilleure est la résolution spatiale des capteurs. Au fur et à mesure que le courant circulait dans le fil, l’équipe a mesuré le champ magnétique à chaque point en fonction de l’intensité de la lumière émise par les points en présence de micro-ondes. Les chercheurs ont été étonnés lorsque les valeurs mesurées du champ magnétique correspondaient étroitement aux valeurs simulées, prouvant l’efficacité des capteurs quantiques à haute résolution.
Le changement de l’état de spin du capteur en présence d’un champ magnétique peut être détecté même à température ambiante, permettant ainsi une détection facile du champ magnétique et des courants locaux. De plus, les nanofilms de nitrure de bore se fixent aux objets uniquement par la force de van der Waals, ce qui signifie que les capteurs quantiques adhèrent facilement à différents matériaux.
Sasaki et son équipe prévoient d’appliquer cette technique à la recherche sur la physique de la matière condensée et les matériaux quantiques. « Il permettra la détection directe du champ magnétique à partir, par exemple, d’états particuliers aux bords du graphène et des points quantiques microscopiques », ajoute Sasaki.
Les capteurs quantiques de la taille d’un atome commencent à révolutionner la façon dont nous percevons les environnements microscopiques et comprenons donc également les propriétés macroscopiques. Leurs applications vont au-delà de la recherche scientifique fondamentale. Ils peuvent aider à imager les cerveaux humains, à géolocaliser avec précision, à cartographier les environnements souterrains et à détecter les changements tectoniques et les éruptions volcaniques. Sasaki et son équipe attendent les utilisations potentielles de leurs capteurs quantiques à l’échelle nanométrique dans les semi-conducteurs, les matériaux magnétiques et les supraconducteurs.
L’étude est publiée dans la revue Lettres de physique appliquée.
Plus d’information:
Kento Sasaki et al, Imagerie de champ magnétique par nanoréseau de capteurs quantiques hBN, Lettres de physique appliquée (2023). DOI : 10.1063/5.0147072