Imagerie magnétique rapide avec technologie de capteur quantique à base de diamant

L’imagerie microscopique des champs magnétiques, rendue possible par la détection quantique, permet la mesure de l’empreinte magnétique unique des objets. Cela ouvre la porte à des applications fondamentalement nouvelles dans divers domaines tels que les essais de matériaux ou la biomédecine.

Fraunhofer IAF a développé une méthode innovante utilisant des images de caméra rapides sous la forme d’un magnétomètre à champ large amélioré. Le système offre un compromis unique de sensibilité, de résolution et de vitesse. Il sera présenté à LASER Monde de QUANTUM 2023qui s’est tenue du 27 au 30 juin à Munich, dans le cadre du Quantum Sensing Hub Freiburg, au sein duquel les instituts Fraunhofer IAF, IPM et IWM mettent en commun leur expertise dans le domaine de la magnétométrie quantique.

Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la physique appliquée du solide IAF ont réussi à exploiter le grand potentiel de la technologie des capteurs quantiques basés sur les centres de lacune d’azote (NV) dans une configuration de mesure unique. Leur magnétomètre à champ large permet de mesurer rapidement le champ magnétique parasite d’un échantillon sur une large plage. Sa haute précision de mesure se caractérise par une résolution allant jusqu’au nanomètre et est absolument quantifiable.

Cette méthode de mesure ouvre de nouvelles voies en métrologie et convient à diverses industries telles que la (nano-)électronique, les sciences des matériaux ou la biomédecine en raison de sa large gamme d’applications, des échantillons inorganiques aux échantillons organiques.

Le système de mesure innovant a été développé dans le cadre du projet phare de Fraunhofer QMag. Au cours du projet, une expertise et une infrastructure concentrées en magnétométrie se sont développées à Fribourg-en-Brisgau dans les trois instituts Fraunhofer IAF, IPM et IWM, qui forment ensemble le Quantum Sensing Hub Freiburg.

Magnétométrie au diamant

La magnétométrie à grand champ est basée sur des centres NV dans des couches minces de diamant et est une approche récente de la détection quantique. La configuration de mesure développée au Fraunhofer IAF utilise un générateur de formes d’onde arbitraires (AWG), qui génère un rayonnement micro-ondes et déclenche un laser et la fenêtre de temps d’enregistrement d’une caméra avec une précision de l’ordre de la nanoseconde. En utilisant différents protocoles de mesure, cela permet une grande flexibilité et précision des mesures.

“Le magnétomètre à champ large bénéficie non seulement de notre configuration améliorée, mais également du processus de croissance développé chez Fraunhofer IAF pour les plaques de diamant, que nous utilisons comme capteurs”, explique le Dr Jan Jeske, directeur adjoint de l’unité commerciale appareils quantiques chez Fraunhofer IAF . Les substrats cultivés à l’institut sont à base de diamant pur orienté (100) non dopé de type « IIa » d’une épaisseur de 500 μm et d’une surface de 4 x 4 mm. Ce substrat est recouvert d’une couche mince dans laquelle les centres NV pour l’application du capteur sont générés à proximité de l’échantillon.

Avantages de mesure du magnétomètre à champ large

En science des matériaux, des méthodes expérimentales sont utilisées pour caractériser les matériaux polycristallins afin d’obtenir une compréhension microscopique du comportement macroscopique des matériaux. Cela permet de mieux comprendre les matériaux et d’optimiser leurs propriétés. Cependant, les méthodes actuelles reposent généralement sur de longs temps de mesure et de grandes installations expérimentales. Souvent, des conditions de vide ou des particules à haute énergie sont également nécessaires, ce qui peut avoir un effet néfaste sur le matériau de l’échantillon.

La magnétométrie à grand champ basée sur les centres NV est une méthode alternative non invasive qui fonctionne à température ambiante. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour mieux comprendre la distribution du champ magnétique microscopique, qui a un grand potentiel pour les analyses de matériaux. Le système n’est pas limité aux échantillons de matériaux inorganiques, mais peut également être appliqué aux échantillons organiques en raison de ses exigences relativement faibles sur l’environnement de mesure. Ces propriétés de mesure, associées à la vitesse de mesure élevée de la méthode développée à Fraunhofer IAF, permettent même des mesures complexes telles que les fluctuations, les champs alternatifs et les mesures de courant alternatif (CA), ouvrant la voie à de nouvelles méthodes d’analyse des matériaux.