Imaginez un capteur si sensible qu'il puisse détecter les changements dans la concentration en protons d'une seule protéine, au sein d'une seule cellule. Ce niveau de compréhension révélerait une dynamique insaisissable à l'échelle quantique de la fonction de cette protéine, potentiellement même en temps réel, mais exige un capteur avec des caractéristiques contrôlables à une échelle similaire.
Grâce à une nouvelle technique de fabrication, les capacités de détection quantique approchent maintenant de cette échelle de précision. Comme ils le rapportent cette semaine dans Lettres de physique appliquée , des chercheurs au Japon ont formé de manière reproductible un ensemble aligné de capteurs quantiques appelés centres de vacance d'azote (NV), à quelques nanomètres de la surface de son substrat.
Vérifié par des mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'échelle nanométrique, ces résultats marquent une voie claire vers la conception au niveau atomique de capteurs quantiques avec des surfaces plus grandes que ce qui est généralement réalisable. Il s'agit de la première démonstration de cette mesure RMN à l'échelle nanométrique avec des centres NV à haute densité près de la surface, marquant une énorme avancée pour la recherche en magnétométrie quantique.
"La façon de combiner à la fois des comptes élevés et un contraste élevé est d'avoir l'alignement, parce que lorsque vous avez l'alignement, vous bénéficiez essentiellement des NV uniques combinés aux comptes élevés obtenus à partir des centres NV d'ensemble, " a déclaré Hitoshi Ishiwata de l'Institut de technologie de Tokyo et auteur principal de l'article. " C'est donc ce que nous avons fait en gros, très proche de la surface - à moins de 10 nanomètres - et nous avons démontré qu'avec une mesure SIMS [Secondary Ion Mass Spectrometry], ainsi que la mesure de la nano RMN, qui vous montre l'approximation de la distance des NV à la surface."
centres NV, déjà un outil populaire dans le monde de la détection quantique, sont des types spécifiques d'impuretés dans la structure cristalline du diamant. Pour une seule unité de configuration par ailleurs purement carbone du diamant, le centre NV est constitué d'un atome d'azote adjacent à un atome manquant (vacant) dans le réseau cristallin. Ce défaut peut se produire dans l'un des quatre emplacements possibles dans le cristal unitaire, et chacun fournit un signal à photon unique dont la signature spectrale dépend du spin nucléaire.
La nouvelle technique utilise une combinaison de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et de polissage directionnel pour contrôler la formation des NV dans le réseau. Pour leur substrat de diamant, qui a une surface communément alignée, où le réseau est orienté selon un même plan cristallographique (appelé 111 dans ce cas), Ishiwata et ses collègues ont réalisé des ensembles de NV tous avec la même orientation. Pour un substrat mesurant environ 10 microns de diamètre, juste moins que la largeur d'un cheveu humain, leur méthode peut produire environ 10, 000 de ces centres à moins de 10 nanomètres de la surface.
NVs dans les mêmes emplacements respectifs de leurs unités cristallines et si près de la surface, le groupe pourrait effectuer une détection RMN à l'échelle nanométrique du fluor dans l'huile entrant en contact avec le substrat. La fiabilité de leur méthode de fabrication a (littéralement) des applications de grande envergure pour les mesures à grand champ, assurant la détection à contraste élevé sur des zones d'échantillon relativement grandes.
« L'autre avantage des centres NV haute densité avec alignement est de réaliser une imagerie grand champ avec une sensibilité élevée, " a déclaré Ishiwata. "Avant, il était impossible d'avoir une sensibilité élevée pour l'imagerie à grand champ en raison de la difficulté d'obtenir l'alignement des centres NV à haute densité. Avec notre technique, l'imagerie grand champ à contraste élevé avec un rapport signal sur bruit élevé est désormais possible, ce qui conduit à une imagerie grand champ à haute sensibilité. »
Alors que le groupe continue de chercher des moyens d'améliorer encore la méthode, ils cherchent également à explorer les applications de ces ensembles dans la détection à résolution temporelle, utilisant des lasers pulsés pour fournir des informations en temps réel sur les protons d'échantillons dynamiques. Ishiwata lui-même était particulièrement enthousiasmé par les possibilités de comprendre les cellules biologiques comme jamais auparavant.
"Une application future de ce matériau est l'observation de membranes cellulaires individuelles car notre matériau est adapté à l'observation de la RMN à l'échelle nanométrique à l'échelle volumique de 17 nanomètres cubes, qui est comparable à l'épaisseur des membranes cellulaires (~5 nanomètres), " a déclaré Ishiwata. " Nous pourrions donc utiliser ce matériau et cette technique de mesure pour sonder localement l'activité à l'échelle nanométrique des protéines qui existent dans la membrane cellulaire avec une sensibilité élevée. "
