Voir clairement dans un nouveau domaine — des chercheurs prototypent une nouvelle génération de microscopie quantique —


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  • Alors que l’informatique quantique semble être l’élément le plus important parmi les technologies en développement basées sur le comportement de la matière et de l’énergie aux niveaux atomique et subatomique, une autre direction promet d’ouvrir une nouvelle porte pour la recherche scientifique elle-même : la microscopie quantique.

    Avec l’avancée des technologies quantiques, de nouvelles modalités de microscopie deviennent possibles – celles qui peuvent voir les courants électriques, détecter les champs magnétiques fluctuants et même voir des molécules uniques sur une surface.

    Un prototype d’un tel microscope, démontrant une sensibilité à haute résolution, a été développé par une équipe de recherche australienne dirigée par le professeur Igor Aharonovich de l’Université de technologie de Sydney et le Dr Jean-Philippe Tetienne de l’Université RMIT. Les conclusions de l’équipe ont maintenant été publiées dans Physique naturelle.

    Le microscope quantique est basé sur des impuretés atomiques qui, suite à une illumination laser, émettent de la lumière qui peut être directement liée à des grandeurs physiques intéressantes telles que le champ magnétique, le champ électrique ou l’environnement chimique à proximité du défaut.

    Le professeur Aharonovich a déclaré que l’ingéniosité de la nouvelle approche était que, contrairement aux cristaux volumineux souvent utilisés pour la détection quantique, l’équipe de recherche avait utilisé des couches atomiquement minces, appelées nitrure de bore hexagonal (hBN).

    « Ce matériau de van der Waals – c’est-à-dire composé de couches bidimensionnelles fortement liées – peut être très fin et s’adapter à des surfaces arbitrairement rugueuses, permettant ainsi une sensibilité à haute résolution », a déclaré le professeur Aharonovich.

    « Ces propriétés nous ont amenés à l’idée d’utiliser des feuilles de hBN » actives quantiques « pour effectuer une microscopie quantique, qui est essentiellement une technique d’imagerie qui utilise des réseaux de capteurs quantiques pour créer des cartes spatiales des quantités auxquelles ils sont sensibles », a déclaré le Dr Tetienne. .

    « Jusqu’à présent, la microscopie quantique a été limitée dans sa résolution spatiale et sa flexibilité d’application par les problèmes d’interface inhérents à l’utilisation d’un capteur tridimensionnel volumineux. En utilisant à la place un capteur van der Waals, nous espérons étendre l’utilité de la microscopie quantique dans des arènes qui étaient auparavant inaccessibles. »

    Pour tester les capacités du prototype, l’équipe a effectué une détection quantique sur un matériau magnétique technologiquement pertinent – un flocon de CrTe2, un ferromagnétique de van der Waals avec une température critique juste au-dessus de la température ambiante.

    Le microscope quantique basé sur le hBN a pu imager les domaines magnétiques du ferromagnétique, à proximité du capteur à l’échelle nanométrique et dans des conditions ambiantes, ce que l’on croyait impossible à ce jour.

    De plus, en utilisant les propriétés uniques des défauts hBN, une carte de température simultanée a été enregistrée, confirmant que le microscope peut être utilisé pour effectuer une imagerie corrélative entre les deux quantités.

    Auteurs principaux pour le Physique naturelle article, les doctorants Alex Healey (Université de Melbourne) et Sam Scholten (Université de Melbourne), et le chercheur en début de carrière Tieshan Yang (UTS), ont déclaré que la nature van der Waals du capteur avait permis la double détection des propriétés magnétiques et de la température.

    « Parce qu’il est très mince, peu de chaleur est capable de se dissiper à travers et toute distribution de température qui existe est la même que si le capteur n’était pas là », ont-ils déclaré. « Ce qui a commencé comme une gêne expérimentale a fini par être un indice vers une capacité de notre microscope qui est unique parmi les alternatives actuelles. »

    « Il y a un énorme potentiel pour cette nouvelle génération de microscopie quantique », a déclaré le Dr Mehran Kianinia, chercheur principal à l’UTS. « Non seulement il peut fonctionner à température ambiante et fournir des informations simultanées sur la température, les champs électriques et magnétiques, mais il peut également être intégré de manière transparente dans des dispositifs à l’échelle nanométrique et résister à des environnements très difficiles, car le hBN est un matériau très rigide.

    « Les principales applications futures incluent l’IRM (imagerie par résonance magnétique) et la RMN (résonance magnétique nucléaire) haute résolution qui peuvent être utilisées pour étudier les réactions chimiques et identifier les origines moléculaires, ainsi que des applications dans l’espace, la défense et l’agriculture où la télédétection et l’imagerie sont clé. »

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