Le 1er avril 2019, la Fraunhofer-Gesellschaft lance le projet phare « Quantum Magnetometry » (QMag) :les instituts Fraunhofer de Fribourg IAF, L'IPM et l'IWM souhaitent transférer la magentométrie quantique du domaine de la recherche universitaire vers les applications industrielles. En étroite collaboration avec trois autres instituts Fraunhofer (IMM, IISB et CAP), l'équipe de recherche développe des magnétomètres quantiques d'imagerie hautement intégrés avec une résolution spatiale et une sensibilité les plus élevées.

Le projet phare QMag permet d'utiliser des électrons uniques pour détecter les plus petits champs magnétiques. Cela permet d'utiliser des magnétomètres dans l'industrie, par exemple pour l'analyse de défauts de circuits nanoélectroniques, pour la détection de fissures matérielles cachées ou pour réaliser des scanners d'imagerie par résonance magnétique (IRM) particulièrement compacts. "Nos projets de phare fixent des priorités stratégiques importantes pour développer des solutions technologiques concrètes pour l'Allemagne en tant que site économique. QMag ouvre la voie à un phare Fraunhofer dans le domaine de la technologie quantique. L'ambition des excellents scientifiques qui participent au projet est de améliorer la technologie et la définir au niveau international. De cette manière, un transfert à long terme des innovations révolutionnaires de la magnétométrie quantique vers des applications industrielles peut être réalisé », explique le président de Fraunhofer, le professeur Reimund Neugebauer.

Le projet QMag court jusqu'en 2024 et est fondé avec un total de 10 millions d'euros à parts égales par la Fraunhofer-Gesellschaft et le Land de Bade-Wurtemberg. L'Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide IAF, l'Institut Fraunhofer pour les techniques de mesure physique IPM et l'Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux IWM forment l'équipe principale du consortium QMag. « La combinaison des partenaires du projet est une caractéristique exceptionnellement unique de QMag. Cela fait de Fribourg le principal site de recherche pour les capteurs quantiques utilisés dans l'industrie - non seulement dans le Bade-Wurtemberg, mais dans toute l'Allemagne", dit le Dr Nicole Hoffmeister-Kraut, Ministre des Affaires économiques du Bade-Wurtemberg. Fraunhofer IAF est responsable de la coordination globale du projet de phare.

De la magnétométrie classique à la magnétométrie quantique

La magnétométrie a deux objectifs généraux :mesurer les champs magnétiques de manière très précise et à la plus petite échelle. Les magnétomètres sont utilisés intensivement depuis longtemps - comme boussoles pour mesurer le champ magnétique terrestre, pour des études géologiques ou pour analyser des couches magnétiques nanostructurées dans des disques durs pour le stockage de données. Il y a eu de nombreuses percées dans l'utilisation scientifique et technologique des champs magnétiques au cours des dernières décennies, pourtant, la détection des plus petits champs magnétiques avec la résolution spatiale la plus élevée à température ambiante s'est avérée être un grand défi scientifique.

À ce jour, les capteurs magnétiques existants sont d'une utilité limitée pour les applications industrielles en raison de leurs coûts élevés et de l'effort technique requis, comme le refroidissement. Surtout pour l'imagerie de champs créés par seulement quelques électrons en mouvement, les magnétomètres existants ne sont pas assez sensibles à température ambiante et ne possèdent pas la résolution spatiale requise.

Deux systèmes complémentaires pour relever les défis

Le consortium QMag s'est fixé pour objectif de faire passer la magnétométrie quantique du laboratoire à l'application et de la rendre utilisable dans l'industrie. Afin de le faire, les instituts Fraunhofer développeront deux magentomètres complémentaires capables de mesurer les plus petits champs magnétiques et courants avec la plus haute résolution spatiale, respectivement la plus haute sensibilité magnétique, à température ambiante.

Plus précisement, les partenaires du projet visent à démontrer et tester deux systèmes, qui reposent sur le même principe et méthode de mesure physique mais qui visent des applications différentes :d'une part, un magnétomètre à sonde à balayage basé sur les centres NV du diamant permettra des mesures de la plus haute précision des circuits nanoélectroniques. D'autre part, des systèmes de mesure basés sur des magnétomètres à pompage optique ("OPM") hautement sensibles pour des applications dans le sondage des matériaux et l'analyse de processus seront réalisés.

Magnétométrie à l'échelle nanométrique basée sur des centres NV

Un magnétomètre à sonde à balayage est capable de mesurer les champs magnétiques avec la résolution spatiale la plus élevée à température ambiante. Le magnétomètre se compose de complexes de lacunes atomiques uniques dans des cristaux de diamant qui fonctionnent comme le plus petit aimant possible. Un centre de vacance d'azote ("centre NV") en diamant joue le rôle central. Un centre NV se développe lorsque deux atomes de carbone voisins sont supprimés et l'un est remplacé par un atome d'azote. La lacune résultante est alors occupée par l'électron de réserve de l'atome d'azote. Cet électron possède une quantité de mouvement magnétique, lequel, après avoir été orienté, peut être utilisé comme aimant pour le champ magnétique à mesurer. Au sein de Qmag, un centre NV sera placé dans la pointe nanométrique d'une tête de mesure en diamant. Lorsque cette pointe de capteur est déplacée sur un échantillon dans un microscope à sonde à balayage, les champs magnétiques locaux peuvent être mesurés avec une résolution spatiale extrêmement élevée. De cette manière, la distribution d'électricité dans les circuits nanoélectroniques peut être rendue visible, considérant que même le plus petit courant électronique produit un champ magnétique qui peut être visualisé à l'aide du magnétomètre quantique.

"Notre objectif est de développer des magnétomètres quantiques aux caractéristiques sensorielles exceptionnelles, compacité et mode de fonctionnement, qui permettent des applications industrielles innovantes, et en outre simplifier l'évolution des systèmes électroniques complexes à l'avenir", déclare le professeur Oliver Ambacher, chef de projet et directeur de Fraunhofer IAF.

OPM pour l'analyse chimique et les tests de matériaux

Le deuxième système de capteurs de QMag utilise la dépendance au champ magnétique des transitions électroniques dans les atomes alcalins :les magnétomètres à pompage optique (« OPM ») sont une catégorie de capteurs qui sont utilisés pour mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles. Tout comme les centres NV, Les OPM ne nécessitent pas de refroidissement extrême et sont donc qualifiés pour une utilisation industrielle. Le travail scientifique de QMag se concentre sur le développement de systèmes de mesure complets basés sur des prototypes de magnétomètres existants.

Dans les OPM, les atomes alcalins en phase gazeuse sont préparés à l'aide d'un faisceau laser à polarisation circulaire de sorte que tous leurs moments magnétiques aient la même orientation. A l'intérieur des champs magnétiques mesurés, les moments magnétiques subissent une précession synchrone qui peut être mesurée via l'absorption d'un faisceau laser de longueur d'onde adéquate. La mesure peut être effectuée avec une précision si élevée que même les champs magnétiques de la gamme femto-Tesla sont détectables, ce qui correspond à peu près à la taille des champs magnétiques que nos ondes cérébrales produisent pendant que nous pensons. En raison de leur sensibilité, Les OPM peuvent être utilisés comme détecteurs de signaux de résonance magnétique nucléaire ("RMN"). "Dans QMag, nous développons des systèmes de mesure complets basés sur des prototypes de capteurs uniques existants, qui ouvre des scénarios d'application innovants, en particulier dans le domaine de la RMN à bas champ pour l'analyse chimique et les tests de matériaux", explique le professeur Dr. Karsten Buse, directeur de Fraunhofer IPM.

Par ailleurs, le consortium réalisera des démonstrateurs pour des applications clés pour la mécanique des matériaux. La détection magnétique des micro-fissures mécaniques est un outil très sensible pour la caractérisation des matériaux et le test des composants et donc un domaine d'application très pertinent. « La haute sensibilité des capteurs OPM aux basses fréquences et à la température ambiante ouvre de toutes nouvelles possibilités d'application pour les tests de matériaux. Les défauts microscopiques des matériaux peuvent être mesurés de manière non destructive sur la base de leurs signaux de champ magnétique parasite », souligne Prof. Dr. Peter Gumbsch, directeur de Fraunhofer IWM.

Aux côtés de l'équipe de base, trois autres instituts Fraunhofer apportent leurs compétences scientifiques et technologiques pour le développement de composants clés de la technologie quantique. Le consortium est complété par l'expertise académique du Prof. Dr. Jörg Wrachtrup (Université de Stuttgart) dans le domaine de la technologie quantique à base de diamant et par le Prof. Dr. Svenja Knappe (Université de Fribourg en coopération avec l'Université du Colorado Boulder) dans le domaine de la magnétométrie atomique à gaz.