Les diamants peuvent être le meilleur ami d'une fille, mais ils pourraient aussi un jour nous aider à comprendre comment le cerveau traite l'information, grâce à une nouvelle technique de détection développée au MIT.

Une équipe du Quantum Engineering Group du MIT a développé une nouvelle méthode pour contrôler les capteurs de diamant à l'échelle nanométrique, capables de mesurer des champs magnétiques même très faibles. Les chercheurs présentent leurs travaux cette semaine dans la revue Communication Nature .

La nouvelle technique de contrôle permet aux minuscules capteurs de surveiller comment ces champs magnétiques changent au fil du temps, comme lorsque les neurones du cerveau se transmettent des signaux électriques. Cela pourrait également permettre aux chercheurs de mesurer plus précisément les champs magnétiques produits par de nouveaux matériaux tels que les métamatériaux utilisés pour fabriquer des superlentilles et des "capes d'invisibilité".

En 2008, une équipe de chercheurs du MIT, Université de Harvard, et d'autres institutions ont d'abord révélé que les défauts à l'échelle nanométrique à l'intérieur des diamants pouvaient être utilisés comme capteurs magnétiques.

Les défauts naturels, appelés centres de vacance d'azote (N-V), sont sensibles aux champs magnétiques externes, un peu comme des boussoles, dit Paola Cappellaro, Esther et Harold Edgerton, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires (NSE) au MIT.

Les défauts à l'intérieur des diamants sont également connus sous le nom de centres de couleur, Cappellaro dit, car ils donnent aux pierres précieuses une teinte particulière :« Donc, si jamais vous voyez un beau diamant bleu ou rose, la couleur est due au fait qu'il y a des défauts dans le diamant."

Le défaut central N-V consiste en un atome d'azote à la place d'un atome de carbone et à côté d'une lacune ou d'un creux dans la structure en réseau du diamant. Beaucoup de ces défauts dans un diamant donneraient à la pierre précieuse une couleur rose, et lorsqu'il est éclairé avec de la lumière, ils émettent une lumière rouge, dit Cappellaro.

Pour développer la nouvelle méthode de contrôle de ces capteurs, L'équipe de Cappellaro a d'abord sondé le diamant avec une lumière laser verte jusqu'à ce qu'elle détecte l'émission d'une lumière rouge, qui leur a dit exactement où se trouvait le défaut.

Ils ont ensuite appliqué un champ micro-ondes au capteur nanométrique, pour manipuler le spin électronique du centre N-V. Cela modifie l'intensité de la lumière émise par le défaut, à un degré qui dépend non seulement du champ micro-ondes mais aussi de tout champ magnétique externe présent.

Pour mesurer les champs magnétiques externes et leur évolution dans le temps, les chercheurs ont ciblé le capteur nanométrique avec une impulsion micro-onde, qui a changé la direction du spin électronique du centre N-V, déclare Alexandre Cooper, membre de l'équipe et étudiant diplômé en SNG. En appliquant différentes séries de ces impulsions, agissant comme des filtres, chacun changeant la direction du spin de l'électron un nombre différent de fois, l'équipe a pu collecter efficacement des informations sur le champ magnétique externe.

Ils ont ensuite appliqué des techniques de traitement du signal pour interpréter ces informations et les ont utilisées pour reconstruire l'ensemble du champ magnétique. "Nous pouvons donc reconstruire toute la dynamique de ce champ magnétique externe, qui vous donne plus d'informations sur les phénomènes sous-jacents qui créent le champ magnétique lui-même, " dit Cappellaro.

L'équipe a utilisé un carré de diamant de trois millimètres de diamètre comme échantillon, mais il est possible d'utiliser des capteurs qui ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres. Les capteurs diamant peuvent être utilisés à température ambiante, et puisqu'ils sont entièrement constitués de carbone, ils pourraient être injectés dans des cellules vivantes sans leur causer de dommages, dit Cappellaro.

Une possibilité serait de faire croître des neurones au-dessus du capteur en diamant, lui permettre de mesurer les champs magnétiques créés par le "potentiel d'action, " ou signaler, ils produisent puis transmettent à d'autres nerfs.

Précédemment, des chercheurs ont utilisé des électrodes à l'intérieur du cerveau pour « piquer » un neurone et mesurer le champ électrique produit. Cependant, c'est une technique très invasive, dit Cappellaro. "Vous ne savez pas si le neurone se comporte toujours comme il l'aurait fait si vous n'aviez rien fait, " elle dit.

Au lieu, le capteur en diamant pourrait mesurer le champ magnétique de manière non invasive. « Nous pourrions avoir un ensemble de ces centres de défauts pour sonder différents emplacements sur le neurone, et alors vous sauriez comment le signal se propage d'une position à une autre dans le temps, " dit Cappellaro.

Dans des expériences pour démontrer leur capteur, l'équipe a utilisé un guide d'ondes comme neurone artificiel et appliqué un champ magnétique externe. Lorsqu'ils ont placé le capteur en diamant sur le guide d'ondes, ils ont pu reconstituer avec précision le champ magnétique. Mikhaïl Loukine, professeur de physique à Harvard, dit que le travail démontre très bien la capacité de reconstruire des profils dépendant du temps de champs magnétiques faibles à l'aide d'un nouveau capteur magnétique basé sur la manipulation quantique des défauts du diamant.

"Un jour, les techniques démontrées dans ce travail pourraient nous permettre de détecter en temps réel l'activité cérébrale et d'apprendre comment elles fonctionnent, " dit Lukin, qui n'a pas participé à cette recherche. « Les implications potentielles de grande envergure peuvent inclure la détection et le traitement éventuel des maladies du cerveau, bien qu'il reste beaucoup de travail à faire pour montrer si cela peut réellement être fait, " il ajoute.

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.