Une équipe de recherche internationale a mis au point un capteur quantique révolutionnaire capable de détecter des champs magnétiques minuscules à l'échelle atomique, ce qui pourrait révolutionner notre approche de l'étude des matériaux et des systèmes quantiques. Crédit : Issues.fr.com
Un nouveau capteur quantique développé par des chercheurs coréens et allemands permet de mesurer les champs magnétiques à l’échelle atomique avec une grande précision. Cette technologie utilise une seule molécule pour la détection, offrant une résolution supérieure et le potentiel d’avancées significatives dans l’analyse des matériaux quantiques et des systèmes moléculaires.
Une équipe de recherche internationale du Centre coréen de nanosciences quantiques IBS (QNS) et du Centre de recherche de Jülich (Allemagne) a mis au point un capteur quantique capable de détecter des champs magnétiques minuscules à l'échelle atomique. Ce travail pionnier concrétise un rêve de longue date des scientifiques : un outil de type IRM pour les matériaux quantiques.
« Il faut être petit pour voir petit. » — Dr Dimitri Borodine
L'équipe de recherche a utilisé l'expertise de fabrication de molécules individuelles de bas en haut du groupe Jülich lors de la conduite d'expériences au QNS, en utilisant l'instrumentation de pointe et le savoir-faire méthodologique de l'équipe coréenne pour développer le premier capteur quantique au monde pour le monde atomique.
Défis de la mesure à l'échelle atomique
Le diamètre d'un atome est un million de fois plus petit que le plus épais des cheveux humains. Il est donc extrêmement difficile de visualiser et de mesurer avec précision des quantités physiques telles que les champs électriques et magnétiques qui émergent des atomes. Pour détecter des champs aussi faibles provenant d'un seul atome, l'outil d'observation doit être extrêmement sensible et aussi petit que les atomes eux-mêmes.
Un capteur quantique est une technologie qui utilise des phénomènes de mécanique quantique tels que le spin d'un électron ou l'intrication d'états quantiques pour des mesures précises. Plusieurs types de capteurs quantiques ont été développés au cours des dernières années. Si de nombreux capteurs quantiques sont capables de détecter des champs électriques et magnétiques, on pensait que la résolution spatiale à l'échelle atomique ne pouvait pas être maîtrisée simultanément.
L'équipe de recherche a atteint des niveaux de sensibilité et de résolution spatiale sans précédent en fixant une molécule de PTCDA à la pointe du STM et en mesurant la vitesse de sédimentation exponentielle (ESR). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Innovations dans la technologie de détection quantique
Le succès du nouveau capteur quantique à l’échelle atomique repose sur l’utilisation d’une seule molécule. Il s’agit d’une méthode de détection différente, puisque la fonction de la plupart des autres capteurs repose sur un défaut – une imperfection – d’un réseau cristallin. Comme ces défauts ne développent leurs propriétés que lorsqu’ils sont profondément ancrés dans le matériau, le défaut – capable de détecter les champs électriques et magnétiques – restera toujours à une distance assez importante de l’objet, ce qui l’empêchera de voir l’objet réel à l’échelle des atomes individuels. L’équipe de recherche a modifié l’approche et a développé un outil qui utilise une seule molécule pour détecter les propriétés électriques et magnétiques des atomes. La molécule est fixée à la pointe du microscope à effet tunnel et peut être amenée à quelques distances atomiques de l’objet réel.
Le Dr Taner Esat, auteur principal de l'équipe de Jülich, a exprimé son enthousiasme quant aux applications potentielles, déclarant : « Ce capteur quantique change la donne car il fournit des images de matériaux aussi riches qu'une IRM et établit en même temps une nouvelle norme en matière de résolution spatiale dans les capteurs quantiques. Cela nous permettra d'explorer et de comprendre les matériaux à leur niveau le plus fondamental. » Cette collaboration à long terme s'appuie sur le Dr Esat, ancien postdoctorant au QNS, qui est revenu à Jülich où il a conçu cette molécule de détection. Il a choisi de revenir au QNS pour un séjour de recherche afin de prouver cette technique en utilisant les instruments de pointe du centre.
L'équipe de recherche a atteint des niveaux de sensibilité et de résolution spatiale sans précédent en fixant une molécule de PTCDA à la pointe du STM et en mesurant la vitesse de sédimentation exponentielle (ESR). Crédit : Institut des sciences fondamentales
Conséquences et perspectives d’avenir
Le capteur présente une résolution énergétique qui permet de détecter des changements dans les champs magnétiques et électriques avec une résolution spatiale de l'ordre d'un dixième d'angström, où 1 Ångström correspond généralement à un diamètre atomique. De plus, le capteur quantique peut être construit et mis en œuvre dans les laboratoires existants du monde entier.
« Ce qui rend cette réalisation si remarquable, c’est que nous utilisons un objet quantique de conception exquise pour résoudre les propriétés atomiques fondamentales de bas en haut. Les techniques précédentes de visualisation des matériaux utilisent de grandes sondes volumineuses pour tenter d’analyser de minuscules caractéristiques atomiques », souligne le Dr Dimitry Borodin, auteur principal de QNS. « Il faut être petit pour voir petit. »
Ce capteur quantique révolutionnaire est sur le point d’ouvrir des perspectives transformatrices pour l’ingénierie des matériaux et des dispositifs quantiques, la conception de nouveaux catalyseurs et l’exploration du comportement quantique fondamental des systèmes moléculaires, comme en biochimie. Comme l’a fait remarquer Yujeong Bae, responsable du projet au QNS, « la révolution des outils d’observation et d’étude de la matière émerge de l’accumulation de la science fondamentale. Comme l’a dit Richard Feynman, « il y a beaucoup de place au fond », le potentiel de la technologie pour la manipulation au niveau atomique est infini. » Le professeur Temirov, responsable du groupe de recherche à Jülich, ajoute : « il est passionnant de voir comment nos travaux de longue date sur la manipulation moléculaire ont abouti à la construction d’un dispositif quantique qui détient des records. »
Les résultats de la recherche ont été publiés dans La nanotechnologie naturelle le 25 juillet. Le développement de ce capteur quantique à l'échelle atomique marque une étape importante dans le domaine de la technologie quantique et devrait avoir des implications de grande portée dans diverses disciplines scientifiques.
