Première mesure au monde de l’émission stimulée dépendante du champ magnétique

Dans les soins médicaux, les champs magnétiques de l’activité cardiaque et cérébrale sont mesurés pour détecter les maladies à un stade précoce. Pour mesurer même les plus petits champs magnétiques, les chercheurs de Fraunhofer IAF travaillent sur une nouvelle approche : la magnétométrie à seuil laser à base de diamant. L’idée est d’utiliser du diamant avec une haute densité de centres de lacunes d’azote dans un système laser. Aujourd’hui, les chercheurs ont réussi à franchir une étape importante : ils ont pu démontrer la première mesure au monde de l’émission stimulée dépendante du champ magnétique et même établir un nouveau record de contraste. Les résultats ont été publiés dans la revue Avancées scientifiques.

Dans le diagnostic médical, des capteurs sensibles sont nécessaires pour mesurer, par exemple, les champs magnétiques faibles de l’activité cardiaque et cérébrale (MCG, MEG) du corps humain et créer des images du corps via l’imagerie par résonance magnétique (IRM), qui permet la détection des maladies à un stade précoce. Cependant, seuls quelques capteurs de champ magnétique très sensibles atteignent la précision nécessaire et chacun d’eux présente des obstacles techniques majeurs pour une application clinique.

Les capteurs SQUID déjà établis nécessitent un refroidissement cryogénique complexe d’environ -270 °C. Les magnétomètres à cellule de vapeur (OPM) sont une autre option. Bien que ceux-ci atteignent les sensibilités les plus élevées même sans refroidissement cryogénique, ils présentent l’inconvénient de nécessiter un blindage absolu de tous les champs de fond, y compris le champ magnétique terrestre, et imposent ainsi des exigences structurelles massives aux pièces et aux bâtiments. Pour cette raison, les mesures électriques les plus imprécises (ECG, EEG) continuent d’être courantes dans la pratique clinique quotidienne.

Au Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF à Fribourg, une équipe de projet recherche déjà une alternative plus appropriée : « Notre objectif est de développer un capteur de champ magnétique extrêmement sensible qui fonctionne à température ambiante ainsi qu’en présence de champs de fond et est donc utile pour les implémentations cliniques », explique le Dr Jan Jeske, chef de projet chez Fraunhofer IAF.

Mesurer les plus petits champs magnétiques avec diamant et laser

Dans le projet « Diamant CVD dopé NV pour la magnétométrie à seuil laser ultra-sensible » (abréviation « DiLaMag »), Jeske et son équipe recherchent une approche unique au monde pour les capteurs de champ magnétique quantique hautement sensibles. Pour la première fois, ils utilisent le diamant dans un système laser, permettant ainsi des mesures de champ magnétique beaucoup plus précises.

Pour le projet, le diamant est dopé avec une haute densité de centres de lacunes d’azote (centres NV). « En raison de ses propriétés matérielles, le diamant avec une haute densité de centres NV peut considérablement améliorer la précision des mesures lorsqu’il est utilisé comme support laser », explique Jeske. Les centres NV du diamant sont des systèmes atomiques constitués d’un atome d’azote et d’un défaut de carbone. Ils absorbent la lumière verte et émettent de la lumière rouge. Étant donné que la fluorescence de ces centres NV atomiquement petits dépend de la force d’un champ magnétique externe, ils peuvent être utilisés pour mesurer des champs magnétiques avec une résolution locale élevée et une bonne sensibilité.

Première démonstration expérimentale de magnétométrie à seuil laser

Après plusieurs années d’efforts de recherche, l’équipe de Jeske a franchi une étape importante : elle a démontré la première mesure au monde de l’émission stimulée dépendante du champ magnétique. Dans le processus, les chercheurs ont fait une découverte intéressante : « Nous avons observé un processus physique très pertinent et jusqu’alors inconnu dans le diamant NV : l’absorption de la lumière rouge induite par l’irradiation laser verte », rapporte Jeske.

En utilisant le diamant NV comme support laser, ils ont non seulement obtenu une amplification de 64 % de la puissance du signal par émission stimulée. L’équipe du projet a même pu établir un record mondial : l’émission dépendant du champ magnétique montre un contraste de 33 % et une puissance de sortie maximale en régime mW. Il s’agit d’un nouveau record de contraste en magnétométrie avec les ensembles NV.

L’émission stimulée en est responsable. « Nous avons pu montrer que ce record n’aurait pas été possible avec une émission spontanée. Ainsi, nous avons démontré expérimentalement pour la première fois le principe théorique de la magnétométrie à seuil laser », souligne Jeske.

Ces résultats montrent également les avantages de la magnétométrie à seuil laser à base de diamant par rapport aux méthodes conventionnelles et prouvent qu’il est possible de mesurer les plus petits champs magnétiques.

De grands progrès dans la production de diamants NV

Le concept de magnétométrie à seuil laser ne fonctionne que si le diamant présente une très forte densité de centres NV tout en conservant de bonnes propriétés optiques. Pour cette raison, l’équipe du projet a effectué un travail important sur les matériaux pour optimiser le diamant en conséquence. Ces travaux comprennent, d’une part, la production de diamant par CVD (dépôt chimique en phase vapeur) et, d’autre part, un post-traitement par irradiation électronique et traitement thermique pour une augmentation de la densité NV.

Lors de la croissance du diamant par CVD, qui permet une intégration très précise et contrôlée des centres NV, les chercheurs ont déjà pu réaliser un fort dopage à l’azote. À l’aide d’une irradiation électronique, ils ont ensuite déterminé une fluence optimale pour la densité d’azote, ce qui a entraîné une augmentation de 20 à 70 fois de la densité NV. Les spectres d’absorption leur ont permis de suivre en direct la formation des centres NV.

Au cours de la caractérisation, ils ont établi les corrélations entre trois facteurs cruciaux pour des ensembles NV optimaux et les ont optimisés : une densité NV élevée, une conversion élevée de l’azote substitué en utilisant une irradiation à haute fluence et une stabilité de charge élevée. À la suite de ces études détaillées, l’équipe de Fraunhofer IAF a réussi pour la première fois à produire du diamant CVD avec une haute densité de centres NV et de bonne qualité, créant ainsi la condition préalable au développement de la magnétométrie à seuil laser à base de diamant pour la mesure de champs magnétiques extrêmement petits.

Fourni par Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF