Des chercheurs du Fraunhofer IAF et leurs partenaires décrivent, dans Nature Communications le 22 octobre, un capteur de champ magnétique à centres azote-lacune et cavité laser, pour tenter de dépasser le compromis entre sensibilité et plage de mesure. Selon les résultats rapportés, il maintient une bonne sensibilité sur une plage dynamique de plus ou moins 280 microteslas, mais la technologie n’a pas encore été testée en conditions réelles.
Les capteurs de champ magnétique très sensibles ne mesuraient généralement qu’une plage étroite d’intensités de champ, tandis que ceux à large plage étaient beaucoup moins sensibles. Le dispositif repose sur des centres azote-lacune (NV), des défauts à l’échelle atomique présents dans le diamant. Ils fonctionnent à température ambiante et permettent de mesurer à la fois l’intensité et la direction d’un champ magnétique.
Placer le diamant dans la cavité laser
Plutôt que de lire la faible fluorescence des centres NV, l’équipe de Fraunhofer a placé le diamant directement dans une cavité laser. Les centres NV y absorbent la lumière dans une proportion qui dépend du champ magnétique, et le faisceau laser lui-même sert de signal de lecture. Lorsque le système fonctionne près de son seuil laser, un signal micro-onde résonant a la possibilité d’éteindre complètement une sortie laser de plus de 50 milliwatts.
Une plage de 280 microteslas et une sensibilité estimée
Le capteur a conservé une bonne sensibilité sur une plage dynamique de plus ou moins 280 microteslas, d’après un résumé de l’article. Les chercheurs estiment la sensibilité à moins de 400 femtoteslas par racine carrée de hertz pour les trois composantes du champ.
Ils ont aussi démontré expérimentalement, pour la première fois, que la sensibilité s’améliore plus vite que de façon linéaire lorsque le contraste approche 100 %. L’institut précise que ce chiffre correspond à une limite théorique qui suppose que le bruit de grenaille des photons est la principale source de bruit.
Dix ans de développement
Jan Jeske, qui dirige le groupe Quantum Sensing de l’institut Fraunhofer IAF, a mis au point le premier modèle théorique de ce type de laser à diamant sensible au champ magnétique il y a une dizaine d’années.
« Je suis très heureux que nous ayons maintenant démontré expérimentalement le décalage du seuil laser en fonction du champ magnétique », a déclaré Jan Jeske dans le communiqué. Selon Florian Schall, premier auteur de l’étude, cette approche « pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de capteurs de champ magnétique mobiles et très sensibles ».
Selon l’Institut Fraunhofer, l’étude a réuni des chercheurs de Twenty-One Semiconductors, du College of Staten Island (City University of New York), de l’Institut national des sciences et technologies quantiques et radiologiques du Japon (QST) et de l’université RMIT en Australie.
Des applications possibles, pas encore testées en conditions réelles
Parmi les applications possibles, les chercheurs citent la détection des signaux magnétiques émis par le cœur, les muscles et le cerveau, la navigation grâce aux champs magnétiques, ainsi que la détection d’anomalies magnétiques pour la prospection de ressources et la sécurité. Ces travaux s’inscrivent dans NeuroQ, un projet financé par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace.
NeuroQ vise à concevoir des capteurs capables de détecter l’activité cérébrale et de transmettre les signaux via une interface cerveau-machine, afin que des personnes paralysées puissent un jour contrôler des exosquelettes par la pensée.
Cet objectif reste toutefois lointain. La technologie reste encore en cours de développement et n’a pas encore été testée en conditions réelles.
