Un nouveau capteur quantique 2D détecte les anomalies de température et les champs magnétiques

Des chercheurs du TMOS, le centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs, et leurs collaborateurs de l’université RMIT ont développé une nouvelle puce de détection quantique 2D utilisant du nitrure de bore hexagonal (hBN) qui peut détecter simultanément les anomalies de température et le champ magnétique dans n’importe quelle direction dans un nouveau format de couche mince révolutionnaire.

Dans leur article publié dans Nature Communicationsils détaillent un capteur nettement plus fin que la technologie quantique actuelle pour la magnétométrie, ouvrant la voie à des capteurs quantiques moins chers et plus polyvalents.

Jusqu’à présent, les puces de détection quantique étaient fabriquées à partir de diamant, car il s’agit d’une plate-forme très robuste. Cependant, les capteurs à base de diamant présentent des limites : ils ne peuvent détecter les champs magnétiques que lorsqu’ils sont alignés dans la direction du champ. S’ils ne sont pas alignés, ils présentent de grands angles morts. Par conséquent, les magnétomètres en diamant doivent contenir plusieurs capteurs à différents degrés d’alignement.

Cela augmente la difficulté d’utilisation et, par conséquent, la polyvalence d’utilisation dans différentes applications. De plus, la nature rigide et tridimensionnelle du capteur quantique signifie que sa capacité à s’approcher d’échantillons qui ne sont pas parfaitement lisses est limitée.

Jean-Philippe Tetienne (RMIT University) et Igor Aharonovich (University of Technology Sydney), chercheurs associés du TMOS, et leurs équipes sont les pionniers d’une nouvelle plateforme de détection quantique utilisant le hBN. Ces cristaux de hBN sont constitués de couches de feuilles d’épaisseur atomique et sont flexibles, ce qui permet aux puces de détection de s’adapter à la forme de l’échantillon étudié, se rapprochant beaucoup plus de l’échantillon que le diamant.

Différents défauts existent dans le hBN qui produisent différents phénomènes optiques. Un défaut à base de carbone récemment découvert, dont la structure atomique reste inconnue, détecte les champs magnétiques dans toutes les directions mais n’a jusqu’à présent pas été utilisé pour l’imagerie magnétique.

Pour tenter de déterminer la structure du défaut non identifié, l’équipe a mené une expérience de mesure Rabi et a comparé les résultats avec le défaut de lacune de bore bien connu qui existe également dans le hBN. Ce défaut de lacune de bore peut être utilisé pour mesurer la température à un niveau quantique. Grâce à cette comparaison, ils ont découvert que le nouveau défaut se comporte comme un demi-système de spin. Cette nature de demi-spin du défaut de carbone est ce qui permet au capteur de détecter des champs magnétiques dans n’importe quelle direction.

L’équipe a déterminé que ce nouveau capteur de spin à base de carbone pouvait être contrôlé par excitation électrique, de la même manière que le capteur de lacunes de bore, et qu’ils pouvaient être réglés pour interagir l’un avec l’autre. Enthousiasmés par ces découvertes, ils ont entrepris de démontrer une puce de détection hBN qui pourrait utiliser les deux défauts de spin simultanément pour mesurer le champ magnétique et la température. Leur article montre les premières images magnétiques jamais prises avec ce capteur isotrope non identifié.

Sam Scholten, co-premier auteur de l’étude, de l’université RMIT, déclare : « Les défauts de spin adressables optiquement dans les solides constituent une boîte à outils essentielle dans le domaine des matériaux quantiques en raison de leur potentiel à être utilisés comme capteurs quantiques à l’échelle nanométrique et, plus généralement, comme systèmes quantiques robustes à température ambiante.

« Ce qui rend le hBN unique et passionnant, c’est sa forme 2D, qui permet à nos capteurs de se rapprocher beaucoup plus de l’échantillon. »

Priya Singh, co-première auteure de l’étude et membre de l’équipe de RMIT University, déclare : « Les spins de diamant sont utilisés depuis plus d’une décennie dans les systèmes biologiques comme sonde in situ. Je suis impatiente d’introduire notre hBN dans l’environnement cellulaire en mouvement continu, où l’indépendance directionnelle du capteur serait un avantage. »

Selon Igor Aharonovich, chercheur en chef du TMOS, « le hbN présente de nombreux avantages par rapport au diamant en tant que source de lumière quantique pour les communications et la détection. En plus de son format ultra-mince, il peut également fonctionner comme source de lumière quantique pour les communications à température ambiante, là où le diamant nécessite souvent un refroidissement cryogénique. Le hBN est également beaucoup moins cher et plus accessible que le diamant. »

En général, ces nouveaux matériaux de faible dimension offrent la possibilité de découvrir de nouvelles physiques en raison de leur anisotropie extrême. Les applications futures potentielles de cette technologie de détection quantique incluent l’identification sur le terrain de caractéristiques géologiques magnétiques. La nature de demi-spin du défaut permettra également la spectroscopie radio sur une bande plus large que les technologies concurrentes.

Jean-Philippe Tétienne, chercheur associé au TMOS, déclare : « La prochaine étape de cette recherche consiste à identifier les défauts atomiques dans le hBN. En comprenant leur composition, nous pouvons progresser dans la conception de dispositifs de détection offrant des performances optimales.

« Je suis enthousiaste à l’idée d’explorer les propriétés et les opportunités de ce nouveau défaut de spin optique. Sa nature de demi-spin est nouvelle dans notre communauté, et il y a de nombreuses questions auxquelles il faut répondre. »