Les capteurs quantiques basés sur des défauts microscopiques dans la structure cristalline du diamant peuvent fonctionner à des pressions aussi élevées que 140 gigapascals, selon des recherches menées par des physiciens de l'Académie chinoise des sciences à Pékin. La découverte établit un record pour la pression de fonctionnement des capteurs quantiques basés sur les centres dits de lacune d'azote (NV), et leur nouvelle durabilité pourrait bénéficier aux études en physique de la matière condensée et en géophysique.
Les centres NV se produisent lorsque deux atomes de carbone voisins dans le diamant sont remplacés par un atome d'azote et un site de réseau vide. Ils agissent comme de minuscules aimants quantiques avec des spins différents et, lorsqu'ils sont excités par des impulsions laser, le signal fluorescent qu'ils émettent peut être utilisé pour surveiller de légers changements dans les propriétés magnétiques d'un échantillon de matériau à proximité. En effet, l'intensité du signal central NV émis change avec le champ magnétique local.
Le problème est que ces capteurs sont fragiles et ont tendance à ne pas fonctionner dans des conditions difficiles. Il est donc difficile de les utiliser pour étudier l'intérieur de la Terre, où prévalent des pressions gigapascal (GPa), ou pour étudier des matériaux comme les supraconducteurs à hydrure, qui sont fabriqués à de très hautes pressions.
Résonance magnétique détectée optiquement
Dans le nouveau travail, une équipe dirigée par Gang-Qin Liu des Centre national de recherche de Pékin pour la physique de la matière condensée ainsi que Institut de physique, Académie chinoise des sciences, ont commencé par créer une chambre microscopique à haute pression appelée cellule à enclume de diamant dans laquelle placer leurs capteurs, constitués de microdiamants contenant un ensemble de centres NV. Les capteurs de ce type fonctionnent grâce à une technique appelée résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) dans laquelle l'échantillon est d'abord excité à l'aide d'un laser (dans ce cas avec une longueur d'onde de 532 nm) puis manipulé via des impulsions micro-ondes. Les chercheurs ont appliqué les impulsions micro-ondes à l'aide d'un fil de platine fin, résistant aux hautes pressions. La dernière étape consiste à mesurer la fluorescence émise.
"Dans notre expérience, nous avons d'abord mesuré la photoluminescence des centres NV sous différentes pressions", explique Liu. "Nous avons observé une fluorescence à près de 100 GPa, un résultat inattendu qui nous a conduit à effectuer des mesures ODMR ultérieures."
Un grand ensemble de centres NV en un seul endroit
Bien que le résultat ait été quelque peu surprenant, Liu note que le réseau de diamants est très stable et ne subit aucune transition de phase, même à des pressions de 100 GPa (1Mbar, soit près d'un million de fois la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer). Et tandis que de telles pressions élevées modifient les niveaux d'énergie et les propriétés optiques des centres NV, le taux de modification ralentit à des pressions plus élevées, permettant à la fluorescence de persister. Même ainsi, il raconte Monde de la physique ce n'était «pas une tâche facile» d'obtenir des spectres ODMR à des pressions de Mbar.
« Il y a de nombreux défis techniques que nous devons surmonter », dit-il. "L'un en particulier est que les hautes pressions diminuent le signal de fluorescence NV et apportent une fluorescence de fond supplémentaire."
Les chercheurs ont surmonté ces problèmes en utilisant un large ensemble de centres NV (~5 × 105 dans un seul microdiamant) et optimisant l'efficacité de collecte de lumière de leur système expérimental. Mais leurs soucis ne s'arrêtaient pas là. Ils devaient également éviter un gradient de pression important sur le capteur, car toute inhomogénéité dans la distribution de pression aurait élargi les spectres OMDR et dégradé le contraste du signal.
"Pour relever ce défi, nous avons choisi le bromure de potassium (KBr) comme milieu de pression et confiné le volume de détection à environ 1 um3», explique Liu. "Nous avons pu obtenir l'ODMR des centres NV à près de 140 GPa en utilisant cette approche."
La pression maximale peut être encore plus élevée, ajoute-t-il, puisque les modifications induites par la pression des niveaux d'énergie dans les centres NV se sont avérées plus faibles que prévu. "Le principal défi pour atteindre cet objectif est de produire des pressions élevées avec peu ou pas de gradient de pression", explique Liu. "Cela pourrait être possible en utilisant du gaz noble comme moyen de transmission de pression."
Capteur de gradient de gravité quantique utilisé à l'extérieur pour trouver un tunnel
Selon Liu et ses collègues, ces expériences montrent que les centres NV pourraient être utilisés comme sur place capteurs quantiques pour l'étude des propriétés magnétiques des matériaux à des pressions de Mbar. Un exemple pourrait être de sonder l'effet Meissner (exclusion du champ magnétique) dans LaH10 , un supraconducteur à haute température qui ne peut être synthétisé qu'à des pressions supérieures à 160 GPa.
Les chercheurs prévoient maintenant d'optimiser leurs capteurs et de déterminer leur limite de haute pression. Ils espèrent également améliorer leur sensibilité magnétique (en optimisant l'efficacité de la collecte de fluorescence) et développer des schémas de détection multimodaux - par exemple, mesurer simultanément la température et le champ magnétique.
Ils détaillent leur étude actuelle dans Lettres de physique chinoise.
