Première mesure mondiale de l'émission stimulée dépendante du champ magnétique

Démonstrateur d’un magnétomètre à seuil laser. La perspective montre la cavité où les scientifiques ont mesuré l’amplification et l’émission stimulée dépendante du champ magnétique. © Fraunhofer IAF / Démonstrateur d’un magnétomètre à seuil laser. La perspective montre la cavité où les scientifiques ont mesuré l’amplification et l’émission stimulée dépendante du champ magnétique. © Fraunhofer IAF

La mesure montre un record de contraste de près de 33 pour cent pour l’émission stimulée dépendante du champ magnétique (bleu) par rapport à l’émission spontanée (rouge). © Fraunhofer IAF / La mesure montre un record de contraste de presque 33 pour cent pour l’émission stimulée dépendante du champ magnétique (bleu) par rapport à l’émission spontanée (rouge). © Fraunhofer IAF

En médecine, les champs magnétiques des activités cardiaques et cérébrales sont mesurés pour diagnostiquer précocement les maladies. Afin de mesurer même les plus petits champs magnétiques, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer IAF travaillent sur une nouvelle approche : la magnétométrie par seuil laser basée sur le diamant. Il s'agit d'utiliser un diamant doté d'une haute densité de centres de vacance de nitrogène dans un système laser. Les chercheurs ont récemment franchi une étape importante : ils ont pu réaliser la toute première mesure d'émission stimulée dépendante du champ magnétique dans le monde et ont même établi un nouveau record de contraste. Avec cela, ils ont démontré pour la première fois le principe de la magnétométrie par seuil laser. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Science Advances.

Dans le diagnostic médical, des capteurs sensibles sont nécessaires pour mesurer, par exemple, les faibles champs magnétiques des activités cardiaques et cérébrales (MKG, MEG) du corps humain. Les méthodes basées sur la détection des champs magnétiques, comme l'imagerie par résonance magnétique (IRM), permettent de diagnostiquer précocement les maladies. Cependant, la précision nécessaire n'est atteinte que par quelques capteurs de champ magnétique à haute sensibilité, qui présentent chacun de grandes difficultés techniques pour une application clinique. Les capteurs SQUID déjà établis nécessitent un refroidissement à très basse température d'environ -270 °C. Une autre option est celle des magnétomètres à cellules gazeuses optiquement pompées (OPMs). Ceux-ci atteignent également des sensibilités très élevées sans besoin de refroidissement cryogénique, mais ont l'inconvénient de nécessiter une isolation absolue de tous les champs de fond, y compris le champ magnétique terrestre, ce qui impose des exigences techniques importantes pour les locaux et les bâtiments. C'est pourquoi, dans la pratique clinique quotidienne, ce sont encore les mesures électriques moins précises (ECG, EEG) qui sont couramment utilisées.

Au sein de l'Institut Fraunhofer pour la physique du solide appliquée IAF à Fribourg, une équipe de recherche travaille déjà sur une alternative plus adaptée : « 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 existants, et qui soit donc pratique pour une mise en œuvre clinique », explique le Dr Jan Jeske, chef de projet à l'Institut Fraunhofer IAF.

Mesurer les plus petits champs magnétiques avec du diamant et un laser

Dans le cadre du projet financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche « Diamant CVD dopé au NV pour une magnétométrie par seuil laser ultra-sensible » (abrégé : DiLaMag), Jeske et son équipe travaillent sur une approche nouvelle à l’échelle mondiale pour des capteurs quantiques de champ magnétique à haute sensibilité : le diamant sera utilisé pour la première fois dans un système laser, permettant ainsi des mesures de champ magnétique beaucoup plus précises.

Pour ce projet, le diamant sera doté d'une haute densité de centres de vacance de nitrogène (NV). « En raison de ses propriétés matérielles, le diamant avec une haute densité de centres NV peut considérablement améliorer la précision de la mesure lorsqu'il est utilisé comme milieu laser », explique Jeske. Les centres NV dans le diamant sont des systèmes atomiques composés d’un atome de nitrogène et d’un défaut de carbone. Ils absorbent la lumière verte et émettent de la lumière rouge. Étant donné que la luminance de ces centres NV, minuscules au niveau atomique, dépend de la force du champ magnétique externe, ils peuvent être utilisés pour mesurer des champs magnétiques avec une haute résolution locale et une bonne sensibilité.

Première démonstration expérimentale de la magnétométrie par seuil laser

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

En utilisant du diamant NV comme milieu laser, ils ont non seulement obtenu une amplification du signal par émission stimulée de 64 %. L’équipe de projet a même enregistré un record mondial : l’émission dépendante du champ magnétique affiche un contraste de 33 % et une puissance de sortie maximale dans la gamme des milliwatts. Il s’agit d’un nouveau record de contraste en magnétométrie avec des ensembles NV.

Ce phénomène est dû à l’émission stimulée. « Nous avons pu montrer que ce record ne serait pas possible avec une émission spontanée. Nous avons ainsi démontré expérimentalement pour la première fois le principe théorique de la magnétométrie par seuil laser », souligne Jeske.

Ces résultats mettent également en évidence les avantages de la magnétométrie par seuil laser à base de diamant par rapport aux méthodes conventionnelles et prouvent qu’il est possible de mesurer même les plus faibles champs magnétiques avec cette technique.

Progrès importants dans la fabrication du diamant NV

Le concept de la magnétométrie par seuil laser ne fonctionne que si le diamant présente une très haute densité de centres NV tout en conservant de bonnes propriétés optiques. C’est pourquoi l’équipe de recherche a réalisé d’importants travaux sur le matériau pour optimiser le diamant. Ces travaux comprennent, d’une part, la fabrication de diamants par dépôt en phase vapeur chimique (CVD), et d’autre part, le traitement post-fabrication par irradiation aux électrons et traitement thermique pour augmenter la densité de NV.

Lors de la croissance du diamant par CVD, qui permet une incorporation très précise et contrôlée des centres NV, les chercheurs ont déjà atteint une forte dopage en azote. Par irradiation aux électrons, ils ont déterminé une fluence optimale pour la densité d’azote, ce qui a permis d’augmenter la densité de NV d’un facteur compris entre 20 et 70. Les spectres d’absorption leur ont permis de suivre en temps réel la formation des centres NV. Lors de la caractérisation, ils ont établi et optimisé les relations entre trois facteurs clés pour des ensembles NV optimaux : une haute densité de NV, une conversion élevée de l’azote substitué par irradiation à haute fluence, et une stabilité de charge élevée. Grâce à ces études approfondies, l’équipe du Fraunhofer IAF a réussi pour la première fois à produire un diamant CVD avec une haute densité de centres NV et une bonne qualité, créant ainsi les conditions pour le développement de la magnétométrie par seuil laser basée sur le diamant pour la mesure des champs magnétiques les plus faibles.

La RMIT University (Australie), les National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (Japon) et le College of Staten Island (États-Unis) ont participé à la publication scientifique.

Le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche finance le projet DiLaMag dans le cadre du concours pour jeunes chercheurs « NanoMatFutur » – une initiative visant à soutenir la relève scientifique hautement qualifiée dans le domaine de la recherche sur les matériaux (réf. : 13XP5063).

Publication dans Science Advances :
Émission stimulée dépendante du champ magnétique à partir de centres de vacance de nitrogène dans le diamant, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Autres publications scientifiques :
– Création de centres de vacance de nitrogène dans un diamant CVD pour des applications de détection, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030 ; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipulation de l’efficacité de dopage en nitrogène in situ dans le diamant cultivé par CVD, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756 ; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756