Une équipe de physiciens de l'Université de Cambridge a dévoilé une percée dans la détection quantique en démontrant l'utilisation de défauts de spin dans le nitrure de bore hexagonal (HBN) comme des capteurs puissants à température ambiante capables de détecter les champs magnétiques vectoriels à l'échelle nanométrique. Les résultats, publiés dans Communications de la natureMarquez une étape importante vers des technologies quantiques plus pratiques et polyvalentes.
« Les capteurs quantiques nous permettent de détecter les variations à l'échelle nanométrique de diverses quantités. Dans le cas de la magnétométrie, les capteurs quantiques permettent une visualisation à l'échelle nanométrique de propriétés telles que le flux actuel et la magnétisation dans les matériaux conduisant à la découverte de nouvelles physiques et fonctionnalités », a déclaré le Dr Carmem Gilardoni, co-pritère de cette étude du Cavendish Laboratory de Cambridge.
« Ce travail fait passer cette capacité au niveau suivant en utilisant HBN, un matériau non seulement compatible avec les applications à l'échelle nanométrique mais qui offre également de nouveaux degrés de liberté par rapport aux capteurs quantiques à l'échelle nanométrique de pointe. »
À ce jour, la magnétométrie quantique à l'échelle à l'échelle nanométrique dans des conditions ambiantes n'est possible qu'avec le défaut central de la vacance de l'azote (NV) en diamant. Bien que une technologie puissante, ces capteurs ont des limites qui résultent de leur photophysique fondamentale.
En particulier, le centre NV est un capteur à axe unique, avec une plage dynamique limitée pour la détection du champ magnétique. En revanche, le capteur HBN développé par l'équipe de Cambridge ne partage pas ces limitations et présente plutôt un capteur multi-axe de champ magnétique avec une grande plage dynamique.
Le travail de l'équipe démontre les capacités de ce nouveau capteur, tout en fournissant une compréhension mécaniste de l'origine de ses propriétés avantageuses à la détection. Surtout, l'équipe a découvert que la faible symétrie et les taux optiques d'état excités fortuit sont responsables de la plage dynamique et des capacités vectorielles.
HBN est un matériau bidimensionnel, similaire au graphène, qui peut être exfolié à quelques couches atomiques d'épaisseur. Les défauts à l'échelle atomique dans le réseau HBN absorbent et émettent de la lumière visible d'une manière sensible aux conditions magnétiques locales, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications de détection quantique.
Dans cette étude, l'équipe a étudié la réponse de la fluorescence du défaut HBN aux variations du champ magnétique, en utilisant une technique connue sous le nom de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR).
En suivant soigneusement la réponse du spin et en combinant cela avec une analyse détaillée de la dynamique de l'émission de photons, l'équipe pourrait découvrir les taux optiques sous-jacents du système et leur connexion avec la symétrie des défauts, et comment cette combinaison se traduit par un capteur de champ magnétique robuste et polyvalent.
« L'ODMR n'est pas une nouvelle technique, mais ce que nous avons montré, c'est que les sondes construites à l'aide de la plate-forme HBN permettraient à cette technique d'être appliquée dans une variété de nouvelles situations. C'est excitant car il ouvre la porte à l'imagerie des phénomènes magnétiques et des nanomatériaux d'une manière que nous ne pourrions pas auparavant », a déclaré le Dr Simone Eizagirre Barker, Co-First Author de l'article.
« Ce capteur pourrait ouvrir la porte à l'étude des phénomènes magnétiques dans de nouveaux systèmes de matériaux, ou avec une résolution spatiale plus élevée qu'auparavant », a déclaré le professeur Hannah Stern, qui a co-dirigé la recherche avec le professeur Mete Atatüre au Cavendish Laboratory.
« La nature 2D du matériau hôte ouvre également de nouvelles possibilités passionnantes pour utiliser ce capteur. Par exemple, la résolution spatiale de cette technique est déterminée par la distance entre l'échantillon et le capteur. Avec un matériau atomiquement mince, nous pouvons potentiellement réaliser la cartographie spatiale à l'échelle atomique du champ magnétique. »
