Des scientifiques de l'Institut suisse des nanosciences et du Département de physique de l'Université de Bâle ont mis au point une nouvelle méthode qui leur a permis pour la première fois d'imager des champs magnétiques à l'échelle nanométrique à des températures proches du zéro absolu. Ils ont utilisé des spins dans des diamants spéciaux comme capteurs quantiques dans un nouveau type de microscope pour générer des images de champs magnétiques dans des supraconducteurs avec une précision inégalée. De cette façon, les chercheurs ont pu effectuer des mesures qui permettent de nouvelles connaissances en physique du solide, comme ils rapportent dans Nature Nanotechnologie .
Les chercheurs du groupe dirigé par le Georg-H. Le professeur Endress Patrick Maletinsky mène depuis plusieurs années des recherches sur les centres dits à lacunes d'azote (centres NV) dans les diamants afin de les utiliser comme capteurs de haute précision. Les centres NV sont des défauts naturels du réseau cristallin du diamant. Les électrons contenus dans les NV peuvent être excités et manipulés avec la lumière, et réagissent avec sensibilité aux champs électriques et magnétiques auxquels ils sont exposés. C'est le spin de ces électrons qui change en fonction de l'environnement et qui peut être enregistré à l'aide de différentes méthodes de mesure.
Maletinsky et son équipe ont réussi à placer des spins NV uniques aux extrémités de microscopes à force atomique pour effectuer une imagerie de champ magnétique à l'échelle nanométrique. Jusque là, de telles analyses ont toujours été effectuées à température ambiante. Cependant, de nombreux domaines d'application nécessitent un fonctionnement à des températures proches du zéro absolu. Matériaux supraconducteurs, par exemple, ne développent leurs propriétés particulières qu'à des températures très basses, autour de -200°C. Ils conduisent alors les courants électriques sans perte et peuvent développer des propriétés magnétiques exotiques avec la formation de ce qu'on appelle des vortex.
À des températures proches du zéro absolu pour la première fois
Dans leur papier, les scientifiques ont utilisé avec succès leur nouveau microscope dans des conditions cryogéniques à des températures d'environ 4 Kelvin (~ -269 °C) pour la première fois. Ils ont pu imager des champs magnétiques parasites de tourbillons dans un supraconducteur à haute température avec une précision jusqu'alors inégalée.
La résolution spatiale résultante de 10 nanomètres est d'une à deux magnitudes meilleure que celle obtenue en utilisant des méthodes alternatives. Cela permet pour la première fois une analyse non ambiguë et quantitative des paramètres importants du matériau, telles que les profondeurs de pénétration magnétique de la sonde supraconductrice - l'une des caractéristiques fondamentales d'un supraconducteur.
"Nos résultats sont pertinents non seulement pour la technologie des capteurs quantiques et la supraconductivité, " dit Patrick Maletinsky, commenter le papier, "à long terme, ils auront également une influence sur la physique du solide et, avec de nouvelles améliorations de la sensibilité, ils peuvent même permettre des applications en biologie.
