Des chercheurs de Princeton multiplient par 40 la sensibilité des capteurs quantiques à base de diamant

Des chercheurs de l'Université de Princeton ont développé un capteur quantique utilisant le diamant, capable de détecter des phénomènes magnétiques à l'échelle nanométrique avec une sensibilité quarante fois supérieure aux méthodes précédentes. Cette avancée, publiée dans la revue Nature le 26 novembre 2025, ouvre des perspectives significatives pour l'étude de matériaux complexes tels que le graphène et les supraconducteurs.

La technique repose sur l'exploitation de défauts créés artificiellement à la surface d'un diamant cultivé en laboratoire, spécifiquement des centres azote-lacune (NV). Nathalie de Leon, professeure agrégée à Princeton et auteure principale de l'étude, a indiqué que cette méthode permet désormais une mesure simple et directe, contournant les difficultés inhérentes aux techniques antérieures de détection par corrélation. L'équipe a réussi à implanter deux centres NV à une distance extrêmement rapprochée, les forçant à interagir par intrication quantique, ce qui amplifie la performance du dispositif. Jared Rovny, initiateur des travaux théoriques fondamentaux, est également une figure centrale de cette recherche.

La percée méthodologique a été rendue possible par une ingénierie précise des défauts atomiques. Les scientifiques ont projeté des molécules d'azote se déplaçant à plus de 30 000 pieds par seconde sur le diamant, provoquant l'incorporation de deux atomes d'azote à environ 10 nanomètres l'un de l'autre. Les électrons intriqués de ces deux atomes d'azote opèrent de manière synchrone, conférant aux capteurs la capacité de trianguler des signatures magnétiques au milieu de fluctuations de bruit importantes. Cette capacité à mesurer des quantités indétectables à l'échelle intermédiaire entre l'échelle atomique et la longueur d'onde de la lumière visible est essentielle à l'importance de ce développement.

Philip Kim, physicien expérimental à Harvard, non impliqué dans l'étude, a souligné que cette nouvelle approche permet d'examiner directement des matériaux réels, contrairement aux techniques précédentes qui exigeaient des réseaux atomiques méticuleusement construits. L'impact de cette observation à l'échelle nanoscopique est particulièrement pertinent pour la physique de la matière condensée, notamment pour la compréhension des supraconducteurs, matériaux cruciaux pour des applications futures telles que les lignes électriques sans perte d'énergie. Le développement de ces méthodes de détection basées sur le diamant représente environ cinq années de recherche et développement.

Les fondations théoriques de ce travail ont été explorées intensivement par Rovny et de Leon pendant la pandémie de COVID-19, où ils ont étudié la détection de corrélations dans le bruit magnétique via les centres NV. Une publication antérieure de 2022 dans la revue Science, impliquant Rovny, de Leon et Shimon Kolkowitz, avait exploré les corrélations entre des centres non intriqués, une méthode jugée techniquement fastidieuse. Le saut qualitatif réside dans le passage d'une détection par corrélation complexe et non intriquée à un système intriqué permettant une mesure unique et simplifiée, ouvrant la voie à une application plus pratique de cette technologie quantique. Cette nouvelle génération de capteurs quantiques à base de diamant promet de devenir un outil standard pour les expériences de physique fondamentale explorant les phénomènes quantiques dans la matière.