Des chercheurs de l’Université de Tsukuba ont mesuré avec succès les champs électriques à proximité des surfaces de matériaux en couches bidimensionnelles avec une résolution temporelle femtoseconde et spatiale nanométrique. Ils ont utilisé un diamant contenant un centre de lacunes d'azote (un défaut de réseau) comme sonde dans un microscope à force atomique, permettant une précision spatiale à l'échelle atomique.
Lorsque l'azote est incorporé comme impureté dans un cristal de diamant, l'absence d'un atome de carbone voisin forme un centre de lacune d'azote (NV). L'application d'un champ électrique aux centres NV contenant du diamant modifie son indice de réfraction, un phénomène connu sous le nom d'effet électro-optique (EO). Notamment, cet effet n’a pas été observé uniquement dans le diamant pur.
Dans des travaux antérieurs, l’équipe de recherche a utilisé un laser femtoseconde pour détecter les vibrations du réseau dans le diamant avec une sensibilité élevée en mesurant l’effet EO dans des centres NV contenant du diamant de haute pureté. Ces résultats ont démontré que le diamant peut agir comme un cristal d’EO ultrarapide et servir de sonde, appelée sonde NV en diamant, pour mesurer les champs électriques.
Pour la nouvelle étude, publiée dans Communications naturellesles chercheurs ont combiné l'effet EO ultrarapide des centres NV diamant avec la microscopie à force atomique pour développer un microscope spatio-temporel capable de mesurer la dynamique du champ électrique local avec une résolution temporelle femtoseconde et spatiale nanométrique.
Grâce à cette approche, ils ont réussi à détecter des champs électriques près de la surface d'un échantillon de diséléniure de tungstène (WSe₂), un matériau en couches bidimensionnel, avec des résolutions temporelles et spatiales supérieures à 100 fs et 500 nm.
En raison de la sensibilité du centre NV aux états de spin et aux fluctuations thermiques, cette sonde à base de diamant présente un potentiel non seulement pour la détection de champs électriques, mais également pour la détection magnétique et thermique à l'échelle nanométrique.
