Une nouvelle façon de mesurer les champs magnétiques à l'échelle atomique avec une grande précision, non seulement de haut en bas mais aussi latéralement, a été développé par des chercheurs du MIT. Le nouvel outil pourrait être utile dans des applications aussi diverses que la cartographie des impulsions électriques à l'intérieur d'un neurone en feu, caractériser de nouveaux matériaux magnétiques, et sonder des phénomènes physiques quantiques exotiques.

La nouvelle approche est décrite aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique dans un article de l'étudiant diplômé Yi-Xiang Liu, ancien étudiant diplômé Ashok Ajoy, et professeur de science et d'ingénierie nucléaires Paola Cappellaro.

La technique s'appuie sur une plate-forme déjà développée pour sonder les champs magnétiques avec une grande précision, en utilisant de minuscules défauts dans le diamant appelés centres de lacune d'azote (NV). Ces défauts consistent en deux endroits adjacents dans le réseau ordonné d'atomes de carbone du diamant où des atomes de carbone manquent; l'un d'eux est remplacé par un atome d'azote, et l'autre est laissé vide. Cela laisse des liaisons manquantes dans la structure, avec des électrons extrêmement sensibles aux infimes variations de leur environnement, qu'ils soient électriques, magnétique, ou à base de lumière.

Les utilisations précédentes de centres NV uniques pour détecter les champs magnétiques étaient extrêmement précises mais ne pouvaient mesurer ces variations que le long d'une seule dimension, aligné avec l'axe du capteur. Mais pour certaines applications, comme tracer les connexions entre les neurones en mesurant la direction exacte de chaque impulsion de décharge, il serait utile de mesurer également la composante latérale du champ magnétique.

Essentiellement, la nouvelle méthode résout ce problème en utilisant un oscillateur secondaire fourni par le spin nucléaire de l'atome d'azote. La composante latérale du champ à mesurer pousse l'orientation de l'oscillateur secondaire. En le faisant légèrement sortir de l'axe, la composante latérale induit une sorte d'oscillation qui apparaît comme une fluctuation périodique du champ aligné avec le capteur, transformant ainsi cette composante perpendiculaire en un motif d'onde superposé au primaire, mesure du champ magnétique statique. Cela peut ensuite être converti mathématiquement pour déterminer l'amplitude de la composante latérale.

La méthode apporte autant de précision dans cette seconde dimension que dans la première dimension, Liu explique, tout en utilisant un seul capteur, conservant ainsi sa résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Pour lire les résultats, les chercheurs utilisent un microscope optique confocal qui utilise une propriété spéciale des centres NV :lorsqu'ils sont exposés à la lumière verte, ils émettent une lueur rouge, ou fluorescence, dont l'intensité dépend de leur état de spin exact. Ces centres NV peuvent fonctionner comme des qubits, l'équivalent en informatique quantique des bits utilisés en informatique ordinaire.

"Nous pouvons dire l'état de spin à partir de la fluorescence, " explique Liu. " S'il fait noir, " produisant moins de fluorescence, "c'est un état 'un', et s'il fait clair, c'est un état « zéro », " dit-elle. " Si la fluorescence est un nombre entre les deux, alors l'état de spin se situe quelque part entre " zéro " et " un ". "

L'aiguille d'un simple compas magnétique indique la direction d'un champ magnétique, mais pas sa force. Certains appareils existants de mesure des champs magnétiques peuvent faire le contraire, mesurer la force du champ précisément dans une direction, mais ils ne disent rien sur l'orientation générale de ce champ. Cette information directionnelle est ce que le nouveau système de détection peut fournir.

Dans ce nouveau genre de « boussole, " Liu dit, "nous pouvons dire où il pointe à partir de la luminosité de la fluorescence, " et les variations de cette luminosité. Le champ primaire est indiqué par l'ensemble, niveau de luminosité constant, alors que l'oscillation introduite en faisant sortir le champ magnétique hors de l'axe se présente comme une régularité, variation ondulatoire de cette luminosité, qui peut alors être mesuré avec précision.

Une application intéressante de cette technique serait de mettre les centres NV du diamant en contact avec un neurone, dit Liu. Lorsque la cellule déclenche son potentiel d'action pour déclencher une autre cellule, le système doit être capable de détecter non seulement l'intensité de son signal, mais aussi sa direction, aidant ainsi à cartographier les connexions et à voir quelles cellules déclenchent quelles autres. De la même manière, en testant de nouveaux matériaux magnétiques qui pourraient convenir au stockage de données ou à d'autres applications, le nouveau système devrait permettre une mesure détaillée de l'amplitude et de l'orientation des champs magnétiques dans le matériau.

Contrairement à certains autres systèmes qui nécessitent des températures extrêmement basses pour fonctionner, ce nouveau système de capteur magnétique peut bien fonctionner à température ambiante ordinaire, Liu dit, permettant de tester des échantillons biologiques sans les endommager.

La technologie pour cette nouvelle approche est déjà disponible. "Tu peux le faire maintenant, mais vous devez d'abord prendre un certain temps pour calibrer le système, " dit Liu.

Pour l'instant, le système ne fournit qu'une mesure de la composante perpendiculaire totale du champ magnétique, pas son orientation exacte. "Maintenant, on n'extrait que la composante transversale totale; nous ne pouvons pas déterminer la direction, " dit Liu. Mais en ajoutant que le composant de troisième dimension pourrait être fait en introduisant un ajout, champ magnétique statique comme point de référence. "Tant que nous pouvons calibrer ce champ de référence, " elle dit, il serait possible d'obtenir toutes les informations tridimensionnelles sur l'orientation du champ, et "il y a plusieurs façons de le faire."

Amit Finkler, chercheur principal en physique chimique à l'Institut Weizmann d'Israël, qui n'a pas participé à ce travail, dit "C'est une recherche de haute qualité. … Ils obtiennent une sensibilité aux champs magnétiques transversaux égale à la sensibilité DC pour les champs parallèles, ce qui est impressionnant et encourageant pour des applications pratiques."

Finkler ajoute, "Comme les auteurs l'écrivent humblement dans le manuscrit, c'est en effet le premier pas vers la magnétométrie vectorielle à l'échelle nanométrique. Il reste à voir si leur technique peut effectivement être appliquée à des échantillons réels, comme les molécules ou les systèmes de matière condensée. » Cependant, il dit, "En fin de compte, en tant qu'utilisateur/implémenteur potentiel de cette technique, Je suis très impressionné et de plus encouragé à adopter et appliquer ce schéma dans mes configurations expérimentales."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.