analySeur de sPEctre CompacT laRge bande instantanée à base de centres Azote Lacune – SPECTRAL

Le projet SPECTRAL repose sur les propriétés quantiques d’un ensemble de centres NV du diamant à température ambiante pour réaliser l’analyse spectrale d’un signal hyperfréquence de manière quantitative et sur une large bande instantanée au moyen d’un dispositif compact, large bande instantanée.
L’objectif central de la proposition SPECTRAL est de poursuivre la montée en TRL jusqu’à TRL5 du dispositif d’analyse spectrale exploitant la modalité optique de lecture des centres NV du diamant élaboré dans le cadre du projet ASTRID ASPEN tout en commençant à y intégrer de façon duale la modalité de lecture électrique, moins mature technologiquement que la modalité optique.
La proposition SPECTRAL repose sur l’exploitation des propriétés quantiques à la fois photophysiques et de spin du centre coloré NV du diamant, un défaut ponctuel constitué à la fois d’un atome d’azote (N) substitué à un atome de carbone associé à une lacune (V) de carbone située sur un site adjacent. Ce défaut possède des transitions de spin dans le domaine hyperfréquence qui peuvent être détectées sous excitation optique dans le vert, à la longueur d’onde de 532 nm, et à température ambiante suivant des modalités optiques, en mesurant les changements de photoluminescence, ou électrique, par la mesure des changements de photoconductivité induits par la modification de son état de spin. Les fréquences de transition de ces résonances magnétiques peuvent être contrôlées par l’application au centre NV d’un champ magnétique statique donnant lieu à deux pics dont la séparation en fréquence est directement proportionnelle à la projection du champ magnétique le long de l’axe azote-lacune.
L'utilisation des centres NV pour l'analyse spectrale de signaux hyperfréquence repose sur l’encodage spatial au moyen d’un gradient de champ magnétique de la fréquence de résonance d’un ensemble de centres NV contenu dans un cristal de diamant et éclairé par un faisceau laser de façon à transposer le contenu spectral instantané d’un signal radiofréquence d’intérêt sur le niveau local de photoluminescence et/ou de photoconductivité. Le spectre de fréquence complet d’un signal complexe peut ainsi être reconstruit à partir de l’image de la distribution spatiale du signal de photoluminescence émis par les centres NV et, de façon duale, de la mesure du profil de photoconductivité le long du faisceau avec une probabilité d’interception proche de 100 % sur une large bande instantanée.
Le consortium du projet SPECTRAL implique les trois partenaires initiaux d’ASPEN (Thales Research & Technology (TRT), un laboratoire de recherche industriel et deux partenaires académiques, le laboratoire Lumière, Matière et Interfaces (LuMIn) et le Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux) complété par la participation d’une TPE, la société Diam Concept (DC) dont le champ d’activité concerne principalement l’élaboration de diamants synthétiques pour la bijouterie.
A l’issue du projet SPECTRAL, nous aurons réalisé un dispositif d’analyse spectrale d'un volume de quelques litres, une bande fréquentielle d’analyse instantanée reconfigurable pouvant aller jusqu’à plusieurs GHz, une résolution fréquentielle proche du MHz et une aptitude à exploiter de façon duale une modalité de détection optique (ODMR) et électrique (PDMR) sur un nombre de canaux compris entre 5 et 10 au moyen d’électrodes en graphite de façon à comparer les performances et l’apport des différentes modalités pour l’application d’analyse spectrale large bande instantanée. Ce dispositif d’analyse spectrale radiofréquence situé à TRL5 extrêmement compact sera à même de pouvoir à terme adresser de multiples problématiques civils (5G, CEM) ou militaires (surveillance du paysage électromagnétique).
D’autre part, les travaux réalisés sur les aspects matériau contribueront à développer, structurer et renforcer une filière intégralement française quant à la production d’un matériau diamant conçu pour les technologies quantiques.