Cartographie 3D en temps réel du champ magnétique grâce aux centres NV du diamant

Les magnétomètres scalaires ne peuvent mesurer que l'amplitude du champ magnétique, tandis que les magnétomètres à projection vectorielle peuvent mesurer la projection du champ magnétique le long d'un axe particulier. Mais que faire si vous voulez mesurer les champs magnétiques dans différentes directions à la fois ?

Récemment, des chercheurs de l'Université Harvard ont développé un outil capable de détecter les champs magnétiques dans presque tout, des systèmes de matière condensée aux neurones qui tirent. Pour ce faire, l'outil utilise l'un des divers défauts ponctuels dans le diamant appelés centres azote-vacance (NV). Il est capable de détecter les champs magnétiques dans différentes directions simultanément.

Comment ça marche ?

Les chercheurs ont soumis une petite plaquette de diamant de 4 millimètres carrés à 4 signaux micro-ondes différents. Chaque signal était configuré pour mesurer une orientation NV particulière et était modulé (bruit blanc ajouté pour réduire la distorsion des signaux de faible amplitude) selon un motif de modulation de fréquence spécial. Cela leur a permis d'analyser comment chaque orientation NV se comportait dans différentes directions de champ magnétique.

Jusqu'à présent, c'était un processus fastidieux et chronophage consistant à passer régulièrement d'une fréquence micro-onde à l'autre pour observer la réponse d'une seule orientation NV à la fois. Le nouvel outil représente une amélioration significative par rapport aux méthodologies précédentes.

L'ancienne technique ne fonctionne pas pour les processus rapides comme les champs biomagnétiques générés par les neurones qui tirent. Elle ne serait pas capable de capturer toutes les informations, mais la nouvelle technique peut mesurer les champs magnétiques dans diverses directions en même temps.

Dans cette étude, les chercheurs ont collecté un flux continu de données du diamant alors que le champ magnétique fluctuait. Le nouvel outil peut traiter ces données plus vite qu'il ne les collecte, permettant aux chercheurs d'observer l'amplitude et la direction d'un champ magnétique en temps réel.

Référence : APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

Le système s'appuie sur une recherche précédente qui utilisait les centres NV du diamant pour identifier les signaux neuronaux chez des vers marins. C'était juste une preuve de principe. Un système de neurosciences efficace doit être compatible avec les neurones des mammifères, mais comme les neurones qui tirent génèrent des champs magnétiques alignés dans diverses directions, la création de tels systèmes est assez difficile. Cependant, l'outil nouvellement développé gère tous ces problèmes de détection magnétique neuronale.

Pourquoi avoir utilisé les centres azote-vacance ?

Pour cette tâche, les centres NV sont parfaitement disposés dans le réseau de diamant. Chaque centre NV est créé en remplaçant un atome de carbone par un atome d'azote et une lacune adjacente. Comme chaque atome est lié à 4 autres atomes, il y a 4 orientations NV possibles, chacune sensible aux champs magnétiques orientés dans cette direction. Ainsi, on peut utiliser 4 types de centres NV pour déterminer la direction du champ magnétique.

Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Dans cette expérience, les chercheurs ont placé une plaquette de diamant dans un champ magnétique (produit en laboratoire) et y ont projeté une lumière laser, faisant briller le minéral. Lorsque les centres NV réagissaient aux altérations du champ magnétique et au motif unique de modulation de fréquence, la luminosité du centre NV changeait significativement.

Les chercheurs ont suivi les changements de luminosité et créé une image 3D du champ magnétique. Il est maintenant possible d'observer les 4 orientations NV simultanément et de déterminer le champ magnétique en temps réel. C'est comme écouter 4 chaînes de radio différentes en même temps et qu'elles aient toutes du sens ensemble.

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Bien que ce soit une petite amélioration par rapport à ce que font d'autres scientifiques, les auteurs estiment que leur technologie pourrait être utilisée dans divers domaines, notamment la physique de la matière condensée et la biologie.