Des physiciens de l'Université de Hasselt développent des capteurs quantiques basés sur des diamants ultra-purs.
Ils l'utilisent pour mesurer de très petits champs électriques et magnétiques, ainsi que de minuscules variations de température, de pression et de mouvement. Ces informations sont indispensables pour les capteurs, dispositifs médicaux et ordinateurs de demain.
Pourquoi les chercheurs ont-ils recours aux diamants pour leurs mesures ? Premièrement, parce que la roche est très adaptée aux têtes de forage en raison de sa grande dureté. Mais aussi parce que c'est un excellent matériau pour blinder les composants. Le fait que les diamants soient chers n'est pas un inconvénient insurmontable :les chercheurs utilisent de très petites pièces.
Dans le diamant pur, les physiciens construisent une impureté artificielle constituée d'un ou de quelques atomes, parfois appelés centres de couleur. Cette impureté devient ce que l'on appelle le noyau du capteur, avec lequel les variations d'un champ électrique ou magnétique sont mesurées. Plus la gemme elle-même est pure, plus le capteur à l'intérieur est sensible.
Les physiciens peuvent construire des centres de couleur individuels. Pour cela, par exemple, ils remplacent deux atomes de carbone voisins (le diamant n'est constitué de rien d'autre) par un atome d'azote et une place vide dans le réseau cristallin de la pierre. Ils forment ainsi un dipôle magnétique, qui à son tour se comporte comme un qubit, l'équivalent en physique quantique du bit classique.
"Le spin électronique du dipôle peut prendre n'importe quelle valeur entre zéro et un, en fonction du champ magnétique et électrique dans l'environnement", explique Milos Nesladek, physicien à l'Université de Hasselt et partenaire du projet européen de technologie quantique Asteriqs. «Parce que les qubits individuels sont des atomes, ils réagissent très rapidement aux plus petites variations du champ dans lequel ils se trouvent. Ils mesurent au moins mille fois plus précisément que les capteurs classiques. De plus, ils fonctionnent indépendamment de la température, vous pouvez donc les utiliser pour de multiples applications." De plus, le qubit est sensible aux variations de température, de pression et de mouvement, de sorte qu'il peut également les enregistrer.
Un exemple d'applications développées dans le cadre du projet Asteriqs est un spectromètre ultra-précis. Il s'agit d'un appareil que les chimistes utilisent pour cartographier la structure des molécules organiques. D'autres applications incluent des capteurs qui surveillent la consommation d'énergie des batteries dans les voitures électriques, des versions améliorées d'un laboratoire sur puce, que les médecins peuvent utiliser pour détecter les maladies dans leur phase la plus précoce, et des équipements ultra-rapides pour la communication (sans fil).
Nesladek et ses collègues d'Imo-Imomec, le sous-institut de recherche sur les matériaux de l'Université de Hasselt et du centre de recherche de Louvain Imec, ont développé une technologie pour lire électroniquement les qubits intégrés dans le diamant, afin qu'ils puissent également les utiliser à température ambiante. C'est beaucoup plus facile que de travailler avec les capteurs électro et magnétiques actuels, que vous devez refroidir juste au-dessus du zéro absolu.
