Les capteurs quantiques peuvent offrir de toutes nouvelles opportunités

Des diamants défectueux comme capteurs quantiques

Alexander Huck est l’un des chercheurs du DTU qui étudie l’utilisation des diamants comme capteurs quantiques depuis plus de dix ans. Ce sont des diamants artificiels avec un défaut intrinsèque : le centre NV. Le centre NV se comporte comme un spin mécanique quantique qui peut enregistrer des champs magnétiques faibles et d’autres paramètres physiques.

Alexander Huck a utilisé des diamants quantiques pour mesurer du matériel biologique, entre autres applications. En 2020, il a démontré, avec une équipe de recherche multidisciplinaire, qu’il était possible de mesurer l’activité électrique dans les muscles à l’aide d’un capteur quantique au diamant NV.

« L’avantage d’utiliser des diamants pour mesurer le matériel biologique est que nous n’avons pas besoin d’attacher des électrodes au matériel pour mesurer un signal. Au lieu de cela, nous pouvons placer un diamant, dans ce cas sous la forme d’une petite plaque plate mesurant 1-2 mm x 1-2 mm, à proximité du matériel biologique sans « l’endommager », puis mesurer les signaux à l’aide de champs magnétiques. Nous avons récemment réussi à effectuer des mesures similaires de l’activité cérébrale à partir de tissus chez la souris, ce qui constitue une nouvelle étape majeure », déclare Alexander Huck, professeur associé au DTU Physics.

À son avis, les capteurs quantiques joueront un rôle important dans les travaux visant à acquérir plus de connaissances sur le cerveau et les réseaux neuronaux, contribuant éventuellement à la fois à l’amélioration du diagnostic et à la guérison des troubles cérébraux.

Connaissance des molécules et de la photosynthèse

Alexander Huck a également commencé récemment à utiliser des capteurs de diamant NV sur des échelles de longueur beaucoup plus petites que les cellules et les tissus des muscles et du cerveau. Il veut essayer d’utiliser le capteur quantique pour approfondir ses connaissances sur les molécules. L’accent est mis sur les processus électroniques à l’échelle moléculaire, comme la photosynthèse, qu’il souhaite approfondir en examinant une ou quelques molécules à la fois.

« Si nous pouvons comprendre en détail le fonctionnement de la photosynthèse, cela pourrait, à long terme, nous permettre de copier la façon dont les plantes récoltent l’énergie du soleil et la convertissent en substances chimiques stockables et transportables. Une grande partie de nos connaissances actuelles est basée sur des analyses de grands groupes de molécules, ce qui peut masquer certains détails. Je veux acquérir des connaissances à leur sujet en examinant les molécules individuellement », explique Alexander Huck.

Connaissances accrues sur les cellules humaines

Kirstine Berg-Sørensen utilise également la technologie quantique pour les capteurs biologiques, mais avec des diamants plus petits. Son objectif est d’obtenir une meilleure connaissance de nos cellules.

« Ces dernières années, les chercheurs en biologie cellulaire ont découvert que les cellules ne sont pas aussi hétérogènes qu’on le pensait. Les cellules individuelles se développent différemment, même si elles proviennent du même point de départ. Cela s’applique, par exemple, aux cellules cancéreuses, mais aussi aux cellules immunitaires, qui sont mon domaine de prédilection. Il est important d’acquérir des connaissances plus approfondies sur les cellules responsables respectivement du développement et du contrôle des maladies », déclare Kirstine Berg-Sørensen, professeure associée à DTU Health Tech.

Kirstine Berg-Sørensen a travaillé avec des pièges optiques en laboratoire tout au long de sa carrière. Dans ce travail, un faisceau laser de lumière infrarouge hautement focalisé est utilisé pour examiner le matériel biologique. De cette façon, la lumière ne chauffe pas la matière et ne crée donc pas de modifications en lien avec les analyses.

« Il y a environ six ans, grâce aux travaux d’Alexander Huck, j’ai pris connaissance des nanodiamants, qui permettent d’enregistrer des champs magnétiques faibles, par exemple dans les tissus humains. Cela m’a donné l’idée d’étudier les cellules en combinant nos méthodes, et nous collaborons maintenant là-dessus », explique Kirstine Berg-Sørensen.

Combiner deux méthodes

Les cellules absorbent d’abord de minuscules nanodiamants d’un diamètre d’environ 120 nanomètres, soit 500 fois plus petit que l’épaisseur d’un cheveu humain. Les chercheurs utilisent la lumière laser pour lire ce que mesure le diamant.

A terme, l’objectif est de développer un outil de mesure avancé du matériel biologique basé sur les deux méthodes. L’avantage des diamants et du piège optique est qu’ils sont biocompatibles, ce qui signifie qu’ils n’interagissent pas avec le matériel biologique et donc ne « perturbent » rien en rapport avec la mesure. De plus, leur sensibilité magnétique peut fonctionner à température ambiante, et ne nécessite donc pas de températures extrêmement basses inférieures à moins 150 degrés, contrairement aux autres types de capteurs quantiques.

« Nous avons déjà montré que nous pouvions amener les cellules à absorber les nanodiamants. Maintenant, nous devons affiner notre méthode pour obtenir des pincettes optiques, un faisceau laser, pour « pousser » le diamant dans la cellule, afin que nous puissions mesurer plusieurs parties de la cellule. Nous y travaillons actuellement », déclare Kirstine Berg-Sørensen.

E-MAT comprend une gamme d’instruments qui, dans des conditions contrôlées, permettent le développement et la synthèse de nouveaux matériaux. Crédit image : DTU

Développement de nouveaux capteurs quantiques

Bien que les capteurs quantiques soient déjà capables d’effectuer des mesures plus précises que les capteurs ordinaires, des travaux sont en cours pour les améliorer encore, par exemple dans le cadre d’une collaboration entre chercheurs travaillant au développement de nouveaux matériaux, et où Alexander Huck apporte son expertise dans les diamants NV et les capteurs quantiques.

« Notre objectif est d’examiner systématiquement si nous pouvons trouver un nouveau capteur petit, biocompatible, capable de fonctionner à température ambiante et capable de mesurer les champs magnétiques dans le cerveau des organismes vivants. Cela nous permettra d’élargir considérablement notre connaissance des processus dans le cerveau. Nous prévoyons de fabriquer de nouveaux capteurs en utilisant de nouveaux matériaux 2D sur mesure qui nous permettront de contrôler les défauts au niveau atomique », explique Nini Pryds, professeur à DTU Energy, scientifique des matériaux et responsable des travaux.

L’objectif du projet spécifique est de développer un tout nouveau capteur quantique basé sur des matériaux 2D qui seront plus sensibles qu’un diamant.

« Pour créer de meilleurs petits capteurs, moins chers et plus pratiques, nous examinerons s’il est possible d’utiliser des types complètement différents de capteurs magnétiques basés sur des matériaux 2D. Avec le nouveau capteur, notre objectif futur est de pouvoir offrir une meilleure détection à un stade plus précoce, avant que les maladies du cerveau n’aient le temps de se développer davantage », déclare Nini Pryds.

Le développement du nouveau capteur bénéficiera également d’une nouvelle infrastructure de recherche, au DTU, E-MAT. C’est le premier du genre en Europe du Nord, pour la synthèse de la nouvelle génération de matériaux quantiques et il n’existe que dans quelques endroits dans le monde. E-MAT consiste en une boîte à gants avec un environnement contrôlé englobant un ensemble d’équipements clés, y compris des méthodes de dépôt de pointe permettant le contrôle des surfaces et des interfaces à l’échelle atomique. Cette infrastructure permettra non seulement de prévoir théoriquement de nouveaux matériaux, mais également de fabriquer ces matériaux et de les tester. Cela rend les chercheurs confiants qu’ils réussiront à développer un nouveau capteur quantique dans les années à venir.

Test de capteurs quantiques

Certains capteurs quantiques ont déjà atteint un tel stade de développement que leur utilisation est testée en conditions réelles. Cela comprend un accéléromètre quantique, qui pourrait à l’avenir remplacer le système GPS pour la navigation.

Dans la version de test actuelle, le capteur quantique est une grande boîte qui prend beaucoup de place lorsqu’elle est montée dans un avion et envoyée en voyage au-dessus du Groenland pour naviguer via le champ gravitationnel de la Terre. L’un des objectifs sera de réduire le capteur quantique à la taille d’une puce afin qu’à l’avenir, il puisse être utilisé n’importe où, dans les avions, les bateaux, les bâtiments, sous terre et sous l’eau. Cela garantira l’indépendance du système GPS, qui peut être brouillé ou usurpé, et qui constitue une menace dans la situation géopolitique actuelle.

Source: DTU