Mesure vectorielle et ulta-sensible de champ de force a l'interface classique/quantique – QCForce

Ce projet à pour but de disséminer la sensibilité extrême des nano-oscillateurs mécaniques auprès de la communauté de la microscopie de force atomique. Notre but, à la fois dans une optique fondamentale et appliquée, est de développer et d'exploiter une nouvelle classe de capteurs de forces à base de nanofils permettant une imagerie ultra sensible et vectorielle présentant une amélioration de six ordres de grandeurs en sensibilité par rapport aux microscopes à force atomiques commerciaux.

La première tâche de ce projet consiste à développer un prototype de capteurs de force vectoriel à base nanofils de Carbure de Silicium dont les vibrations sont mesurées optiquement. De nouveaux schéma de lectures des vibrations 2D s'appuyant sur un traitement du signal avancé seront mis en œuvre pour accroitre la rapidité et la précision de la mesure. Les puissantes techniques opto-mécaniques nécessaires à la mesures de vibrations 2D seront intégrées dans un dispositif compact. Cette première tâche aura aussi pour but de développer un prototype capable de disséminer dans les laboratoires intéressés par l'imagerie scientifique et les techniques de sonde locales à l'échelle nano.

La seconde tâche sera dédié à rendre le nanofil sensible au magnétisme pour initier une nouvelle génération de microscope à force atomique vectoriel ayant une sensibilité excédant de plusieurs ordre de grandeur les dispositifs existants. Pour se faire, le nanofil sera fonctionnalisé en déposant un nano aimant à son extrémité. La sensibilité extrême du nanofil permettra de réduire le champ de fuite de la sonde, minimisant ainsi sont impact sur l'échantillon étudié. Cette sonde permettra particulièrement de mesurer des structures magnétiques mono-couches. Cet appareil sera utilisé prioritairement pour étudier des phénomènes émergents en nano-magnétisme, et particulièrement pour observer l'apparition de Skyrmions magnétiques à température ambiante.

La dernière tâche aura pour but de tester la sensibilité ultime des nanofils en mesurant leur couplage à un spin unique. La mesure de l'action en retour d'un spin unique provenant d'un centre Nitrogen-Vacancy sera centrale, avec l'objectif de réaliser une mesure mécanique et non destructrice de l'état quantique du spin.

Le projet proposé représente une nouvelle approche pour intégrer et fonctionaliser des nano-capteurs, avec un fort impact en terme de dissémination et de retombées scientifiques potentielles. Le projet sera porté par Benjamin Pigeau et conduit à l'Institut Néel de Grenoble, où toutes les infrastructures et compétences requises à sont succès sont réunies.