La détection quantique est un domaine en développement rapide qui utilise les états quantiques des particules, tels que la superposition, l’intrication et les états de spin, pour détecter les changements dans les systèmes physiques, chimiques ou biologiques. Les nanodiamants (ND) équipés de centres de lacune à l’azote (NV) constituent un type prometteur de nanocapteur quantique. Ces centres sont créés en remplaçant un atome de carbone par de l’azote à proximité d’une lacune du réseau dans une structure en diamant.
Lorsqu’ils sont excités par la lumière, les centres NV émettent des photons qui maintiennent des informations de spin stables et sont sensibles aux influences externes telles que les champs magnétiques, les champs électriques et la température. Les changements dans ces états de spin peuvent être détectés à l’aide de la résonance magnétique détectée optiquement (ODMR), qui mesure les changements de fluorescence sous rayonnement micro-ondes.
Dans le cadre d’une avancée récente, des scientifiques de l’Université d’Okayama au Japon ont développé des capteurs de nanodiamants suffisamment brillants pour la bioimagerie, avec des propriétés de spin comparables à celles des diamants en vrac. L’étude, publiée dans ACS Nanole 16 décembre 2024, a été dirigé par le professeur de recherche Masazumi Fujiwara de l’Université d’Okayama, en collaboration avec Sumitomo Electric Company et les Instituts nationaux des sciences et technologies quantiques.
« Il s’agit de la première démonstration de ND de qualité quantique avec des spins d’une qualité exceptionnelle, une avancée très attendue dans le domaine. Ces ND possèdent des propriétés très recherchées pour la biodétection quantique et d’autres applications avancées », déclare le professeur Fujiwara. .
Les capteurs ND actuels pour la bioimagerie sont confrontés à deux limitations principales : des concentrations élevées d’impuretés de spin, qui perturbent les états de spin NV, et le bruit de spin de surface, qui déstabilise les états de spin plus rapidement. Pour surmonter ces défis, les chercheurs se sont concentrés sur la production de diamants de haute qualité contenant très peu d’impuretés.
Ils ont cultivé des diamants monocristallins enrichis à 99,99 % d’atomes de carbone 12C, puis ont introduit une quantité contrôlée d’azote (30 à 60 parties par million) pour créer un centre NV contenant environ 1 partie par million. Les diamants ont été broyés en ND et mis en suspension dans l’eau.
Les ND résultants avaient une taille moyenne de 277 nanomètres et contenaient 0,6 à 1,3 parties par million de centres NV chargés négativement. Ils présentaient une forte fluorescence, atteignant un taux de comptage de photons de 1 500 kHz, ce qui les rendait adaptés aux applications de bioimagerie.
Ces ND ont également montré des propriétés de spin améliorées par rapport aux plus grands ND disponibles dans le commerce. Ils nécessitaient 10 à 20 fois moins de puissance micro-ondes pour obtenir un contraste ODMR de 3 %, avaient réduit la division des pics et démontraient des temps de relaxation de spin significativement plus longs (T1 = 0,68 ms, T2 = 3,2 µs), 6 à 11 fois plus longs que ceux de ND de type Ib.
Ces améliorations indiquent que les ND possèdent des états quantiques stables, qui peuvent être détectés et mesurés avec précision avec un faible rayonnement micro-ondes, minimisant ainsi le risque de toxicité induite par les micro-ondes dans les cellules.
Pour évaluer leur potentiel de détection biologique, les chercheurs ont introduit des ND dans des cellules HeLa et ont mesuré les propriétés de spin à l’aide d’expériences ODMR. Les ND étaient suffisamment brillants pour une visibilité claire et produisaient des spectres étroits et fiables malgré un certain impact du mouvement brownien (mouvement aléatoire du ND dans les cellules).
De plus, les ND étaient capables de détecter de petits changements de température. À des températures autour de 300 K et 308 K, les ND présentaient des fréquences d’oscillation distinctes, démontrant une sensibilité à la température de 0,28 K/√Hz, supérieure aux ND nus de type Ib.
Grâce à ces capacités de détection avancées, le capteur a un potentiel pour diverses applications, de la détection biologique des cellules pour la détection précoce des maladies à la surveillance de l’état de la batterie et à l’amélioration de la gestion thermique et des performances des appareils électroniques économes en énergie.
« Ces progrès ont le potentiel de transformer les soins de santé, la technologie et la gestion de l’environnement, en améliorant la qualité de vie et en fournissant des solutions durables aux défis futurs », déclare le professeur Fujiwara.
Plus d’informations :
Keisuke Oshimi et al, Nanodiamants fluorescents brillants de qualité quantique, ACS Nano (2024). DOI : 10.1021/acsnano.4c03424