Des chercheurs dirigés par Nathalie de Leon transforment les diamants en appareils capables d'imager des molécules uniques. L'appareil utilise un défaut dans la structure cristalline appelé centre de couleur à manque d'azote. Lorsqu'il est perturbé par le faible champ magnétique de la molécule, le défaut émet des signaux rouges qui peuvent être utilisés pour construire une image ultra-haute résolution de la molécule. Crédit :Yasemin Saplakoglu
Malgré leur charme et leur allure, les diamants sont rarement parfaits. Ils ont de minuscules défauts qui, au professeur assistant Nathalie de Léon, les rendre si attrayants. Ces erreurs de la taille d'un atome ont un potentiel énorme dans les technologies d'imagerie haute résolution et de lignes de communication sécurisées.
« Historiquement, les gens appellent ces défauts des « centres de couleur » parce que lorsque vous éclairez un diamant, vous voyez un tas de jolies couleurs revenir, " dit de Léon, qui est nommé au Département de génie électrique. Elle veut exploiter les propriétés de ces défauts pour imager des molécules et des protéines.
Un diamant est un réseau très serré d'atomes de carbone. En éliminant l'un des carbones et en ajoutant un atome d'azote à proximité, les chercheurs peuvent créer un défaut connu sous le nom de "centre de couleur à manque d'azote". L'atome d'azote et les liaisons pendantes autour de l'atome de carbone manquant forment une sorte de molécule dans une petite zone du réseau de diamant. Cette zone du diamant agit comme une oasis de verdure au milieu d'un désert, présentant des propriétés très différentes du reste du matériau.
De Leon travaille sur l'utilisation d'un centre de couleur à manque d'azote près de la surface d'un diamant pour capturer des images de molécules. L'approche tire parti d'une propriété du défaut connue sous le nom de "spin, " qui est analogue à la quantité de mouvement d'une toupie. Ces spins interagissent avec le champ magnétique de la molécule, qui varie d'une partie de la molécule à l'autre. Les signaux de ces interactions peuvent être collectés et traités pour créer une image à très haute résolution spatiale, suffisamment élevée pour imager une seule molécule d'ADN.
Pour que cela fonctionne, le seul signal émanant de la surface du diamant doit être celui du centre de couleur. Mais c'est un exploit difficile, au moment où le diamant est exposé à l'air, ses atomes de surface s'accrochent à des molécules flottant autour. Plus loin, couper ou polir l'un des matériaux les plus durs au monde amène d'autres défauts indésirables à la surface.
Tous ces signaux supplémentaires brouillent la mesure. En réalité, lorsque les chercheurs tentent de supprimer les défauts indésirables d'un vernis initial, ils créent par inadvertance plus de défauts qui doivent à nouveau être supprimés. "Vous avez un problème de souris, alors tu libères les chats, et vous avez un problème de chat, alors tu libères les chiens. Ça continue juste, " a déclaré de Leon. Trouver des moyens d'améliorer la surface du diamant est un domaine de recherche en cours, et de Leon espère qu'une combinaison de traitements chimiques et d'un environnement de haute pureté pourrait faire l'affaire.
Centres de couleur pour la communication
Bien que ces centres de couleur puissent éventuellement servir de capteurs pour des applications biologiques, ils peuvent aussi servir de base à de nouveaux réseaux de communication, qui rendraient impossible l'écoute clandestine.
Dans les systèmes de communication quantique, un espion ne serait pas en mesure de lire un message sans en modifier immédiatement l'état, exposant ainsi la tentative de fouiller dans le message. Il serait également impossible de copier un message quantique.
Nathalie de Léon. Crédit :Sameer A. Khan/Fotobuddy
Rendre les signaux suffisamment robustes pour parcourir de longues distances a bloqué le développement des technologies quantiques, dit de Léon. Elle travaille à la construction d'un "répéteur" capable d'amplifier le signal et de le transmettre via un câble jusqu'à ce qu'il atteigne sa destination. Cela nécessiterait un matériau capable de fabriquer des mémoires quantiques. Le matériel stockerait et récupérerait le signal d'origine pour propulser le signal à travers les câbles.
"Ce que nous recherchons, c'est le cœur de ce répéteur quantique, " a déclaré de Leon. Son équipe a récemment découvert un candidat pour un tel cœur :un défaut dans un diamant sous la forme d'un gros atome de silicium planant entre deux trous dans le réseau.
Il s'avère que ce défaut a de très bonnes propriétés de charge et de lumière, deux ingrédients nécessaires à une bonne mémoire quantique. Le défaut est également plus résistant aux interférences par les champs électriques de l'environnement que d'autres approches.
