Des physiciens de l’Université de Hasselt développent des capteurs quantiques basés sur des diamants ultra-purs.
Ils permettent de mesurer des champs électriques et magnétiques infimes, ainsi que de subtiles variations de température, de pression et de mouvement. Ces données sont essentielles pour les capteurs, dispositifs médicaux et ordinateurs de demain.
Pourquoi les chercheurs privilégient-ils le diamant ? Sa dureté exceptionnelle le rend idéal pour les têtes de forage, et il excelle comme matériau de blindage pour les composants électroniques. Son coût élevé n’est pas un obstacle : les chercheurs n’utilisent que de minuscules fragments.
Dans un diamant ultra-pur, les physiciens créent une impureté artificielle – un ou quelques atomes formant un « centre de couleur ». Ce noyau agit comme le cœur du capteur, détectant les moindres variations de champs électriques ou magnétiques. Plus le diamant est pur, plus la sensibilité du capteur est élevée.
Les physiciens fabriquent des centres de couleur individuels en remplaçant deux atomes de carbone voisins (composant unique du diamant) par un atome d’azote et un vide dans le réseau cristallin. Cela forme un dipôle magnétique fonctionnant comme un qubit, équivalent quantique du bit classique.
« Le spin électronique du dipôle peut adopter n’importe quelle valeur entre zéro et un, selon le champ magnétique et électrique environnant », explique Milos Nesladek, physicien à l’Université de Hasselt et partenaire du projet européen de technologies quantiques Asteriqs. « Étant des atomes individuels, les qubits réagissent ultra-rapidement aux plus infimes variations. Ils sont au moins mille fois plus précis que les capteurs classiques, indépendants de la température, et adaptés à de multiples applications. » Ils détectent aussi les variations de température, pression et mouvement.
Dans le cadre d’Asteriqs, un spectromètre ultra-précis a été développé pour analyser la structure des molécules organiques. D’autres applications incluent des capteurs pour surveiller la consommation des batteries de voitures électriques, des laboratoires sur puce améliorés pour détecter précocement les maladies, et des équipements de communication sans fil ultra-rapides.
Nesladek et ses collègues d’Imo-Imomec (sous-institut de recherche sur les matériaux de l’Université de Hasselt) et du centre Imec ont mis au point une technologie de lecture électronique des qubits intégrés dans le diamant, utilisable à température ambiante. Cela simplifie grandement l’usage par rapport aux capteurs actuels, nécessitant un refroidissement proche du zéro absolu.
