Le diamant, plus précieux qu’on ne croit

« Les capteurs que nous sommes en train de développer sont de la taille d’un atome, explique Thierry Debuisschert, responsable de l’activité Physique quantique appliquée chez Thales et coordonnateur du projet. D’une sensibilité extrême, ils nous permettent de nous approcher de très près d’une molécule, d’un atome ou de tout autre élément et d’en étudier les propriétés. »

Ces travaux de recherche sont réalisés dans le cadre du projet DIADEMS (DIAmond Devices Enabled Metrology and Sensing), un projet financé par la Commission européenne et dont l’objectif est de développer des magnétomètres ultrasensibles capables de travailler à l’échelle atomique. Grâce à cette sensibilité extrême, ces dispositifs permettent de mesurer des champs magnétiques minuscules : un potentiel aux applications multiples, que ce soit dans la recherche médicale ou dans la conception de disques de stockage de très haute densité.

 

Les capteurs développés par l’équipe DIADEMS exploitent les propriétés du centre NV (azote-lacune) dans les diamants. Un diamant parfaitement pur ne contient que des atomes de carbone, répartis selon une structure bien ordonnée. Si l’on enlève un atome de carbone et qu’on le remplace par un atome d’azote, on introduit alors une rupture dans cet agencement bien ordonné, permettant de créer un centre azote-lacune. « Celui-ci se comporte comme un atome, avec des électrons aux propriétés bien définies », explique Thierry Debuisschert.

Si ce centre NV est si précieux dans son rôle de capteur, c’est qu’il peut être utilisé pour détecter des champs magnétiques à l’échelle nanométrique. Créer des cristaux de diamant, les doter d’un centre NV adéquat et les transformer en capteurs est un processus long et laborieux. Afin de garantir le respect des normes les plus strictes, le projet DIADEMS réunit toutes les compétences nécessaires d’un bout à l’autre du processus.

Un aspect important de ce projet est la collaboration entre les secteurs industriels et académiques, estime Thierry Debuisschert : « Quinze organismes partenaires sont impliqués dans le projet : ils couvrent l’ensemble des aspects techniques liés au processus, qu’il s’agisse de la fabrication des diamants, de la production des centres NV et de toutes les techniques qui permettent de maîtriser ces centres et d’en exploiter les propriétés pour les applications qui nous intéressent. »
 

Pour pouvoir exploiter les propriétés des centres NV, il faut fabriquer des diamants dans lesquels le centre azote-lacune se situe juste au-dessous de la surface du cristal, notamment parce que l’efficacité du couplage magnétique dépend d’un contact étroit entre le capteur et l’échantillon. C’est un des axes d’étude actuels de l’équipe chargée du projet.

Une des méthodes utilisées pour positionner l’atome d’azote à l’endroit précis où il le faut est connue sous le nom d’implantation ionique. Cette méthode consiste à projeter un faisceau d’ions contenant de l’azote au niveau du cristal, celui-ci ayant généralement une surface de 4 mm² et une épaisseur de seulement un demi-millimètre. « L’implantation de l’atome d’azote à quelques nanomètres sous la surface se fait en contrôlant la quantité d’énergie des ions bombardés à la surface   », explique Thierry Debuisschert.
Une autre méthode pour emprisonner les atomes d’azote consiste à les ajouter lors de la fabrication même du diamant. Les pierres utilisées par l’équipe DIADEMS sont des pierres de synthèse et sont fabriquées selon un procédé dit de dépôt chimique en phase vapeur, où l’on utilise un gaz à haute température contenant du carbone. « En ajoutant de l’azote à ce gaz, on peut créer une couche d’azote à un endroit bien précis sous la surface, précise Thierry Debuisschert. Il s’agit d’une technique relativement nouvelle sur laquelle nos chercheurs concentrent actuellement leurs efforts. »
 

La capacité unique qu’auront les capteurs NV ainsi créés à analyser la matière à l’échelle moléculaire aura des répercussions importantes. Par exemple, elle offrira la possibilité de suivre l’activité électrique des neurones, ces cellules nerveuses qui servent à transmettre les signaux électrochimiques, et donc d’aider les scientifiques à mieux comprendre les maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer ou celle de Parkinson.

Le fait que le diamant ne présente aucune toxicité pour les cellules vivantes est un atout supplémentaire. Les capteurs NV devraient également permettre d’accélérer le développement d’une nouvelle génération de disques de stockage plus denses, en permettant de caractériser les champs magnétiques produits par des têtes de lecture/écriture microscopiques, ce qui est difficilement réalisable avec la technologie actuelle.

« Nous savons que le nec plus ultra en termes de capteurs reposera sur l’exploitation des propriétés à l’échelle atomique, affirme Thierry Debuisschert. Nous espérons que le centre NV à l’intérieur des diamants donnera naissance à une nouvelle génération de capteurs qui permettront non seulement de détecter les champs magnétiques, mais également les propriétés électriques, thermiques et de pression, tout un potentiel qui pourrait s’avérer précieux pour les futurs travaux de développement de Thales. »

Le diamant, dans son rôle de capteur, se voit promis à un avenir brillant.