Magnétomètre quantique miniaturisé offrant de nouvelles possibilités de mesure pour une multitude d'applications

Le magnétomètre quantique compact intégré est basé sur des défauts de type nitrogen (NV) dans le diamant et offre de nouvelles possibilités d'applications en biomédecine, contrôle des matériaux, navigation et géologie. © Fraunhofer IAF / Le magnétomètre quantique compact est basé sur des lacunes d'azote (NV) dans le diamant et offre de nouvelles applications en biomédecine, contrôle des matériaux, navigation et géologie. © Fraunhofer IAF

Le Fraunhofer IAF présente l’état actuel de son magnétomètre quantique compact intégré. Le système basé sur le diamant se distingue par sa robustesse, sa haute densité d’intégration et sa sensibilité de mesure à la pointe de la technologie. Grâce à une manipulation nécessitant peu de calibration, une sensibilité élevée de quelques picoteslas et une large plage dynamique, il offre de nouvelles possibilités de mesure pour une variété d’applications en biomédecine, contrôle des matériaux, navigation et géologie.

Le magnétomètre vectoriel hautement intégré de l’institut Fraunhofer pour la physique des solides appliquée IAF repose sur des défauts de nitrogen (NV) dans le diamant et permet d’accéder à des champs magnétiques très faibles avec un degré d’adaptabilité et de précision sans précédent. Ce système de mesure miniaturisé ouvre de toutes nouvelles perspectives d’application dans des domaines nécessitant une mesure précise avec une perturbation minimale, comme par exemple dans les mesures biochimiques des voies nerveuses ou dans la microélectronique.

»Ce qui rend le magnétomètre vectoriel NV basé sur le diamant particulier, c’est son fonctionnement natif et intuitif, qui possède la capacité, dans la plupart des conditions d’utilisation, de mesurer avec précision les composantes vectorielles du champ magnétique terrestre. Ainsi, le capteur représente non seulement une innovation technique, mais aussi une avancée significative dans la technologie des capteurs«, explique le Dr Michael Stoebe, responsable du domaine des composants quantiques à l’IAF.

Grâce aux propriétés uniques du centre NV dans la grille du diamant, qui s’organise selon les quatre axes cristallins, toutes les composantes du vecteur du champ magnétique peuvent être mesurées avec une seule puce de capteur à l’aide de diamants <100>. Cela réduit l’effort de calibration et ouvre de nouvelles possibilités pour des applications auparavant limitées par les contraintes des magnétomètres traditionnels. Avec ce capteur, la recherche dans de nombreux domaines va révolutionner et constitue une étape importante vers des techniques de mesure plus précises et plus efficaces.

Augmentation de la densité d’intégration et de la sensibilité

Les chercheurs de l’IAF ont réussi à réduire la taille de leur magnétomètre quantique intégré d’un facteur 30 en un an. La tête de capteur a désormais une taille compacte comparable à celle des magnétomètres à gaz pompés optiquement (OPMs) utilisés dans l’industrie, tout en conservant une haute sensibilité dans la plage des picoteslas. Le système basé sur le diamant se distingue par sa robustesse élevée et sa large plage de mesure, qui peut être utilisée de manière flexible dans divers scénarios de mesure avec peu ou pas de calibration.

« Nous visons une densité d’intégration encore plus élevée tout en augmentant la sensibilité. Notre objectif pour l’année prochaine est de réduire à nouveau la taille du capteur d’un facteur 5 tout en augmentant la sensibilité, afin de permettre des mesures dans la plage des sub-picoteslas », souligne le Dr Michael Stoebe.

Ce qui rend les magnétomètres quantiques intégrés de l’IAF particulièrement attractifs, c’est leur refroidissement par eau en option, qui permet une mesure robuste et fiable des champs magnétiques même dans des conditions difficiles. Cette flexibilité dans la conception et l’intégration caractérise le dernier prototype de capteur de l’institut de Fribourg. »Dans le cadre de notre développement continu de systèmes de capteurs, nous adoptons une approche orientée vers l’application et répondons aux exigences individuelles que l’on impose à nos systèmes«, explique le Dr Michael Kunzer, chef de projet à l’IAF.

En parallèle de l’évolution du système, l’élément central du capteur — sa tête de capteur en diamant dopé au NV — est également amélioré à l’IAF. Le diamant synthétique est cultivé dans des réacteurs spéciaux à l’institut et transformé en composants quantiques par échange contrôlé d’atomes de carbone avec des atomes d’azote. L’objectif est de faire évoluer la taille des wafers de diamant ultra-pur, actuellement de deux pouces, vers des wafers industriels évolutifs de quatre pouces, l’année prochaine.

GNSS – Navigation sûre sans GPS

Les systèmes de navigation actuels, malgré leur grande précision et leur couverture, sont souvent sujets à des perturbations et ne sont pas disponibles partout. C’est pourquoi des méthodes de navigation alternatives, indépendantes des systèmes de satellites de navigation globaux (GNSS), gagnent en importance. Le champ magnétique terrestre constitue une base prometteuse, car il présente des différences régionales qui peuvent être utilisées comme une carte invisible pour une navigation autonome, notamment dans les zones où les signaux GPS sont perturbés ou difficiles à capter.

Le capteur quantique développé à l’IAF permet de créer des cartes complètes du champ magnétique et d’offrir une navigation fiable basée sur celles-ci. Le magnétomètre vectoriel offre une méthode autonome, résistante aux perturbations, pour la localisation et la navigation mondiales. Il complète la navigation par satellite et fonctionne également sans signaux satellites, par exemple sous l’eau, dans des gorges, sous terre, dans des bâtiments ou des tunnels.

Mesures géologiques rapides et sans contact

Le magnétomètre quantique de l’IAF permet une localisation précise et sans contact de dépôts miniers souterrains, donnant ainsi accès à des ressources précieuses. Il peut également détecter à grande surface des objets non explosés, réduisant considérablement le risque pour les personnes dans les zones concernées. En utilisant le même principe que pour la navigation, la composition de la croûte terrestre et son champ magnétique peuvent être exploités pour tirer des conclusions sur les formations géologiques. Les anomalies magnétiques, telles que les gisements de minerai ou les objets métalliques comme les munitions non explosées, peuvent ainsi être détectées.

Les données recueillies peuvent être transformées en cartes magnétiques indiquant la localisation d’objets suspects, ainsi que des indications sur leur profondeur, leur forme et leur taille. Cette méthode permet une exploration complète et non invasive des zones concernées, ainsi que la localisation d’objets profondément enfouis.