Le Laboratoire National d'Argonne des États-Unis lance un projet de capteurs quantiques à base de diamant pour la mesure des champs électromagnétiques en physique des hautes énergies

Le Laboratoire National d'Argonne du Département de l'Énergie des États-Unis a récemment lancé un nouveau projet de recherche d'une durée de trois ans et d'un budget d'un million de dollars, visant à combiner la science de l'information quantique avec la recherche en physique des hautes énergies, afin de développer une nouvelle génération de capteurs quantiques à base de matériaux diamantés pour mesurer et cartographier les champs électromagnétiques avec une précision accrue.

Dans cette cavité à vide remplie de plasma se trouve le substrat de diamant utilisé pour fabriquer le film de diamant (non visible sur l'image), dans lequel se trouvent les qubits à centres azote-lacune. (Image fournie par Nazar·Delegan/Laboratoire National d'Argonne.)

Dans les expériences de physique des hautes énergies, la précision de mesure des champs électromagnétiques est directement liée à la fiabilité des résultats expérimentaux. Qu'il s'agisse d'analyser la quantité de mouvement des fragments de matière produits après les collisions de particules ou de suivre les infimes variations de mouvement des particules stockées dans un anneau magnétique, les chercheurs doivent connaître avec précision la distribution des champs magnétiques et électriques dans l'environnement expérimental ainsi que leurs variations spatio-temporelles. Même de très petites erreurs de mesure peuvent limiter la précision des expériences.

La technologie clé de ce projet repose sur les centres azote-lacune (centres NV) dans le diamant. Cette structure est composée d'un atome d'azote dans le cristal de diamant et d'une lacune adjacente d'atome de carbone, présentant des caractéristiques de niveaux d'énergie quantiques lisibles par la lumière et les micro-ondes. Lorsque le champ magnétique ou électrique environnant change, ses niveaux d'énergie se modifient également, ce qui permet une détection des champs électromagnétiques à haute sensibilité.

L'équipe du projet indique que les objectifs de recherche comprennent la construction de capteurs quantiques NV à ultra-haute précision, le développement d'un prototype de système de cartographie de grands champs magnétiques, et l'établissement des bases pour des réseaux de capteurs adaptés aux environnements électromagnétiques à variation rapide. Les chercheurs adapteront également les matériaux diamantés aux besoins spécifiques des expériences de physique des hautes énergies et mèneront des tests en conditions de laboratoire ainsi que dans des environnements d'application réels, notamment dans des environnements à champ magnétique élevé et à forte radiation.

Au Laboratoire National d'Argonne, les films de diamant sont découpés et détachés de couches de matériau plus grandes à l'aide d'outils spéciaux. (Image fournie par Nazar·Delegan/Laboratoire National d'Argonne.)

En raison de leur résistance naturelle aux radiations, de leur compacité et de leur capacité à mesurer simultanément plusieurs grandeurs physiques, les capteurs quantiques à base de diamant sont considérés comme adaptés aux environnements expérimentaux exigeants. Pour les installations de physique des hautes énergies où l'espace est limité, où les radiations sont intenses ou où la précision de mesure est extrêmement élevée, ces capteurs pourraient réduire le besoin en instruments et câbles, tout en fournissant des informations plus complètes sur les conditions expérimentales.

Le responsable du projet a indiqué que l'équipe de recherche espère développer une plateforme de détection intégrable aux systèmes microélectroniques existants, permettant aux capteurs quantiques d'être déployés sur les futurs accélérateurs et sites d'expériences de physique des hautes énergies. Si le projet progresse favorablement, cette technologie aidera les chercheurs à réduire les incertitudes de mesure, à améliorer la précision expérimentale et à fournir un nouveau soutien technologique pour l'exploration des propriétés fondamentales de la matière.

Cette recherche est financée par le programme de science de l'information quantique du Bureau de la physique des hautes énergies du Département de l'Énergie des États-Unis.