Magnétomètre à centres colorés du diamant – DIAMAG

La détection de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l’étude structurelle de protéines par résonance magnétique En partant des connaissances issues de l'utilisation des centres colorés NV du diamant pour l'information quantique, le projet DIAMAG vise à mettre au point un magnétomètre à balayage à haute sensibilité, fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV dans un nanocristal de diamant. Ce système atomique positionné à l’extrémité d’une pointe de microscope à force atomique conduira à la réalisation d’une nano-sonde non perturbative de champ magnétique dont les performances sont, à ma connaissance, sans équivalent : (i)-La résolution spatiale est fondamentalement limitée par l'extension spatiale de la fonction d'onde électronique du centre coloré NV, laquelle est de l'ordre de quelques angströms. (ii)-Les excellentes propriétés de cohérence du spin électronique des centres colorés NV du diamant permettent d’envisager une sensibilité en champ magnétique à l'échelle du spin électronique individuel à température ambiante. (iii)-Le caractère non perturbatif de cette sonde magnétique offre un avantage majeur pour la cartographie d’une structure de champ magnétique. Le premier objectif du projet DIAMAG consiste à la réalisation d’un magnétomètre à centres colorés NV du diamant, associant une résolution spatiale nanométrique avec une sensibilité à l'échelle du spin électronique individuel à température ambiante. Une fois le magnétomètre mis au point, je souhaite l’utiliser pour cartographier le champ magnétique autour de nanostructures ferromagnétiques afin d’étudier la dynamique de retournement de vortex magnétiques ainsi que les mouvements de parois magnétiques à l'échelle nanométrique, qui sont des problèmes importants pour le développement de nouvelles méthodes de stockage magnétique de l'information. Pour de telles études, le caractère non magnétique de la sonde représente un avantage majeur par rapport aux techniques de microscopie à force magnétique qui perturbent inévitablement la structure magnétique étudiée. En parallèle à ces études menées à température ambiante, je souhaite développer un magnétomètre à centres colorés du diamant fonctionnant à température cryogénique, en combinant un microscope à force atomique et un microscope confocal. Le développement d’un tel instrument ouvrira de multiples perspectives de recherche. Il sera par exemple possible d’étudier le couplage cohérent des centres colorés NV à des aimants moléculaires qui sont des candidats intéressants à la fois pour le stockage de l’information et pour l’information quantique. Dans un domaine de recherche différent, un système fonctionnant à basse température pourra également être utilisé pour étudier le couplage entre le spin électronique d’un centre coloré NV et les modes de vibration d’un nanorésonateur mécanique constitué par une pointe AFM magnétique. Cette partie du projet est très ambitieuse et nécessite un important investissement financier. À ma connaissance, aucun groupe travaillant sur les propriétés de spin des centres colorés NV du diamant ne possède un tel instrument. Son développement demandera un investissement humain important, mais il donnera un avantage considérable vis-à-vis de la concurrence internationale.