Les circuits intégrés deviennent de plus en plus complexes. De nos jours, un processeur Pentium contient quelque 30 millions de transistors. Et les structures magnétiques trouvées dans les disques durs ne mesurent que 10 à 20 nanomètres de diamètre – moins qu'un virus de la grippe à 80 à 120 nanomètres de diamètre. Les dimensions se rapprochent rapidement du domaine de la physique quantique et, déjà, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide IAF à Fribourg s'appliquent aux défis de la technologie quantique de demain. Avec des collègues du Max Planck Institute for Solid State Research, ils développent un capteur quantique qui sera capable de mesurer avec précision les minuscules champs magnétiques que nous pouvons nous attendre à voir dans la prochaine génération de disques durs. Le capteur lui-même est juste légèrement plus gros qu'un atome d'azote, avec un diamant synthétique pour servir de substrat.

Le diamant présente de nombreux avantages en dehors de sa grande stabilité mécanique et chimique. Par exemple, on peut implanter des atomes étrangers tels que le bore ou le phosphore, transformant ainsi les cristaux en semi-conducteurs. Le diamant est également le matériau parfait pour les circuits optiques. Mais peut-être que son plus grand attribut est son impressionnante conductivité thermique, avec la force des liaisons des atomes de carbone assurant que la chaleur est rapidement dissipée.

Au cours des dernières décennies, Fraunhofer IAF a développé des systèmes optimisés pour la production de diamants. Le processus de production en série se déroule dans un réacteur à plasma, et Fribourg possède beaucoup de ces appareils argentés. Le plasma est allumé pour générer des températures de 800 à 900 degrés Celsius de sorte que, lorsque le gaz est introduit dans la chambre, des couches de diamant peuvent se former sur le substrat de forme carrée. Les cristaux de diamant ont une longueur de bord comprise entre trois et huit millimètres, et sont ensuite séparés du substrat et polis à l'aide d'un laser.

Préparer le diamant à agir comme un détecteur magnétique

La fabrication du capteur quantique innovant nécessite un cristal particulièrement pur, qui a inspiré d'autres améliorations dans le processus. Par exemple, afin de faire croître des couches de diamant ultra-pur, le méthane qui fournit le charbon du diamant est préfiltré à l'aide d'un filtre en zirconium. En plus de ça, le gaz doit être isotopiquement pur, puisque seul le 12C - un isotope stable de l'atome de carbone - a un spin nucléaire nul, ce qui est une condition préalable pour le capteur magnétique plus tard. L'hydrogène subit également un processus de purification, après quoi le diamant monocristallin ultra-pur doit être préparé pour son rôle de détecteur magnétique. Ici, deux possibilités :soit vous insérez un seul atome d'azote dans la pointe extrêmement fine, ou vous ajoutez de l'azote à la phase finale du processus de production du diamant. Après ça, la pointe de diamant est affûtée au plasma d'oxygène à l'aide d'un processus de gravure dans la salle blanche de l'institut. Le résultat final est une pointe de diamant extrêmement fine qui ressemble à celle d'un microscope à force atomique. La clé de l'ensemble de la conception est l'atome d'azote ajouté avec une lacune voisine dans la structure cristalline.

Ce centre combiné d'azote-vacance agit comme le capteur réel, émettant de la lumière lorsqu'il est exposé à un laser et à des micro-ondes. S'il y a un aimant à proximité, il variera dans son émission lumineuse. Les experts appellent cela la spectroscopie de résonance de spin électronique. Non seulement cette technique peut détecter les champs magnétiques avec une précision nanométrique, il peut aussi déterminer leur force, ouvrant une gamme extraordinaire d'applications. Par exemple, les minuscules pointes en diamant peuvent être utilisées pour surveiller la qualité du disque dur. Ces périphériques de stockage de données sont étroitement emballés et il y a toujours de petites erreurs. Le capteur quantique peut identifier les segments de données défectueux afin qu'ils soient exclus du processus de lecture et d'écriture du disque. Cela réduit le taux de défaut, qui monte en flèche alors que la miniaturisation se poursuit à un rythme soutenu, et réduit les coûts de production.

Des capteurs quantiques pourraient mesurer l'activité cérébrale

Le petit capteur peut potentiellement être appliqué dans un large éventail de scénarios, puisqu'il y a des champs magnétiques faibles partout, même dans le cerveau. "Chaque fois que les électrons se déplacent, ils génèrent un champ magnétique, " dit Christoph Nebel, expert de l'IAF. Ainsi, lorsque nous pensons ou ressentons, nos cerveaux génèrent des champs magnétiques. Les chercheurs souhaitent localiser cette activité cérébrale pour déterminer les zones du cerveau qui sont responsables d'une certaine fonction ou sensation. Cela peut être fait directement en mesurant les ondes cérébrales à l'aide d'électrodes, mais les résultats sont très imprécis. Les mesures de champ magnétique offrent de bien meilleurs résultats. Cependant, les capteurs actuellement utilisés présentent un inconvénient important en ce qu'ils doivent être refroidis avec de l'azote liquide. S'appuyant sur l'extrême conductivité thermique du diamant, la nouvelle technologie peut fonctionner à température ambiante sans nécessiter de refroidissement. Pour cette application, au lieu d'utiliser des pointes fines, vous utiliseriez de minuscules plaquettes qui incorporent plusieurs centres de vacance d'azote. Chaque centre fournit un point dans l'image et, ensemble, une image détaillée.

Actuellement, cependant, Christoph Nebel et son équipe concentrent leur attention sur la recherche et l'optimisation du diamant en tant que matériau de haute technologie. Cette application à la technologie des capteurs quantiques est un début prometteur.