MICROSCOPIE MAGNÉTIQUE À SPIN UNIQUE - Photoniques
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DOSSIER
MICROSCOPIE MAGNÉTIQUE
À SPIN UNIQUE
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Vincent JACQUES1,*, Mathieu MUNSCH2 et Marc CHAIGNEAU3
1
Laboratoire Charles Coulomb, Université de Montpellier and CNRS, 34095 Montpellier, France
2
QNAMI AG, Hofackerstrasse 40B, CH-4132, Muttenz, Switzerland
3
HORIBA France SAS, 91120 Palaiseau, France
*
vincent.jacques@umontpellier.fr
Les méthodes expérimentales permettant de détecter la résonance
de spin électronique de défauts ponctuels du diamant ouvrent
de nouvelles perspectives pour le développement de capteurs
quantiques à haute sensibilité. De tels capteurs ont notamment
démontré des performances exceptionnelles pour l’imagerie
magnétique aux échelles nanométriques, conduisant à une transition
accélérée vers des solutions commerciales.
https://doi.org/10.1051/photon/202110832
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L
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a mesure de signaux ma- exploitant les propriétés de systèmes NV, puis nous illustrerons ses perfor-
gnétiques de faibles ampli- quantiques individuels. De tels cap- mances à travers l’imagerie de maté-
tudes avec une résolution teurs quantiques, qui s’appuient sur des riaux antiferromagnétiques. Enfin,
spatiale à l’échelle nano- méthodes expérimentales initialement nous présenterons les étapes clés qui
métrique est un outil es- développées pour l’information quan- ont permis la mise sur le marché d'une
sentiel dans de nombreux tique, promettent des performances première solution commerciale.
domaines de recherche, allant de la exceptionnelles en raison de leur ex-
science des matériaux, à la physique trême sensibilité à l’environnement. LE CENTRE NV DU DIAMANT,
mésoscopique, et la biophysique. C’est Parmi un grand nombre de systèmes UN CAPTEUR MAGNÉTIQUE DE
naturellement aussi un enjeu majeur quantiques élémentaires utilisés DIMENSION ATOMIQUE
pour comprendre les propriétés de comme capteurs, le centre coloré NV Le centre coloré NV du diamant cor-
matériaux magnétiques émergents du diamant suscite un intérêt croissant respond à l’association d’une impureté
qui suscitent un intérêt pour le déve- pour l’imagerie magnétique, car il offre atomique d’azote (N) et d’une lacune
loppement de nouveaux dispositifs une combinaison sans précédent de (V pour vacancy), placés sur deux sites
spintroniques. Bien que les physi- résolution spatiale et de sensibilité, adjacents de la maille de diamant
ciens disposent d’une grande diversi- ceci même à température ambiante. [Fig. 1(a)]. Ce défaut cristallin ponc-
té de techniques de magnétométrie à De telles performances ont motivé un tuel, auquel sont associés des niveaux
haute sensibilité, cartographier une transfert rapide de ces magnétomètres d’énergie électroniques placés entre
distribution de champ magnétique de quantiques vers l’industrie, conduisant la bande de valence et la bande de
façon quantitative et non-perturbative à l’apparition en 2020 de premiers conduction du diamant, se comporte
avec une résolution spatiale nanomé- produits commerciaux, à peine une comme un « atome artificiel » à l’état
trique reste encore aujourd’hui un dizaine d’années après les premières solide [Fig. 1(b)]. Sous illumination op-
important défi expérimental. Dans démonstrations expérimentales en la- tique par un laser vert, le centre NV pro-
ce contexte, la dernière décennie a boratoire. Dans cet article, nous intro- duit une photoluminescence efficace
connu l’émergence d’une nouvelle duirons le principe de fonctionnement dans le rouge, qui permet un adres-
génération de capteurs magnétiques de la microscopie magnétique à centre sage optique à l’échelle individuelle à
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Figure 1 : (a) Centre coloré NV dans le cristal de diamant. (b) Structure simplifiée des niveaux
d’énergie décrivant un comportement d’atome artificiel avec des niveaux d’énergie placés dans la
bande interdite du diamant L’intensité de photoluminescence (PL) dépend de l’état de spin dans
le niveau fondamental. (c) Détection optique du spectre de résonance magnétique pour
un centre NV unique en champ nul et pour un champ BNV = 1.2 mT.
température ambiante. Une propriété La mesure optique du spectre de réso-
remarquable du centre coloré NV a trait nance magnétique peut également être
à son spin électronique. Le niveau fonda- mise à profit pour réaliser un magnéto-
mental du centre NV est un niveau triplet mètre à haute sensibilité. En effet, lors-
de spin S=1, dont la dégénérescence est qu’un champ magnétique est appliqué
partiellement levée par l’interaction au voisinage du centre NV, la dégénéres-
spin-spin, en un état doublet ms = ±1 et cence des états ms = ±1 est levée par effet
un état singulet ms = 0, séparés de D=2.87 Zeeman, conduisant à un dédoublement
GHz en l’absence de champ magnétique de la raie de résonance [Fig. 1(c)]. L’écart
[cf. Fig. 1(b)]. L’analyse des règles de sé- en fréquence est alors simplement don-
lection liées au spin lors de transitions né par Δ = 2γeBNV, où BNV correspond à la
radiatives indique (i) qu’un centre coloré projection du champ magnétique suivant
NV unique est polarisé efficacement dans l’axe de quantification du centre NV et
l’état ms = 0 par pompage optique, et (ii) γe = 28 GHz/T désigne le rapport gyro-
que l’intensité de photoluminescence est magnétique de l’électron. Le centre NV
considérablement plus élevée lorsque l’état peut ainsi être utilisé comme une sonde
ms = 0 est peuplé [cf. Fig. 1(b)]. Ces deux de champ magnétique de dimension ato-
propriétés permettent de mettre en œuvre mique, dont la sensibilité est assurée par
une technique de détection optique de la le très long temps de cohérence de son
résonance magnétique. En effet, lorsqu’un état de spin électronique [2,3].
centre NV initialement polarisé dans l’état
ms = 0 par pompage optique, est porté dans IMAGERIE MAGNÉTIQUE AUX
l’état ms = ±1 par un champ magnétique ÉCHELLES NANOMÉTRIQUES
oscillant à la fréquence micro-onde de Le principe de fonctionnement d’un ma-
résonance à 2.87 GHz, une chute du si- gnétomètre NV à balayage est décrit sché-
gnal de photoluminescence est observée matiquement par la figure 2. Une pointe
[Fig. 1(c)]. Cette mesure, qui permet d’éva- en diamant contenant un centre coloré
luer précisément la position de la réso- NV unique à son extrémité est intégrée
nance magnétique, a été démontrée pour dans un microscope à force atomique
la première fois en 1997 à l’échelle d’un (AFM), permettant ainsi de déplacer de
centre NV unique, au moyen d'un simple façon contrôlée la sonde NV à proximité
dispositif de microscopie optique confo- d’une structure magnétique à caracté-
cale fonctionnant à température ambiante riser. Un microscope optique confocal
[1]. Elle est désormais couramment utilisée est couplé à l’AFM afin d’exciter optique-
dans le cadre d’expériences liées à l’infor- ment le centre NV positionné au bout de
mation quantique, qui exploitent l’état de la pointe et de mesurer son spectre de
spin électronique d’un centre NV du dia- résonance magnétique au moyen d’une
mant comme bit quantique à l’état solide. excitation micro-onde résonante.
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DOSSIER
UN NOUVEL OUTIL POUR La magnétométrie NV permet de mettre
L’ÉTUDE DES MATÉRIAUX en évidence ce couplage de façon di-
ANTIFERROMAGNÉTIQUES recte à travers l’observation d’une varia-
La magnétométrie NV permet éga- tion de la direction de propagation de la
lement d’étudier la physique des ma- cycloïde antiferromagnétique lorsque la
tériaux antiferromagnétiques, qui polarisation ferroélectrique est modi-
suscitent actuellement un vif intérêt fiée [Fig. 3(b-c)]. De telles mesures, qui
pour le développement de dispositifs ne peuvent être effectuées avec aucune
spintroniques ultra-rapides à faible autre technique de microscopie magné-
consommation énergétique et hautes tique à ce jour, ont établi la magnéto-
densités de stockage [7]. Dans de tels métrie NV à balayage comme un outil
matériaux, l’ alignement antiparallèle unique pour sonder l’ordre antiferroma-
Figure 2 : Principe de la magnétométrie NV à balayage. entre moments magnétiques voisins gnétique aux échelles nanométriques.
résulte en une aimantation quasiment
nulle, conduisant à des signaux ma- UN TRANSFERT RAPIDE
La cartographie du champ magné- gnétiques extrêmement faibles, qui ne VERS L’INDUSTRIE
tique est alors obtenue en mesurant le peuvent pas être imagés aux échelles De telles performances ont motivé un
déplacement Zeeman de la résonance nanométriques par les techniques de transfert rapide des magnétomètres NV
magnétique en chaque point de l’échan- microscopie magnétique convention- à balayage vers l’industrie. L’explosion
tillon [4]. Le volume de détection, et nelles. Il s’agit d’un obstacle majeur à des activités de recherche et dévelop-
donc la limite de résolution intrin- la compréhension fondamentale des pement en spintronique a intensifié
sèque, est ici fondamentalement fixé propriétés de ces matériaux et au dé- le besoin de méthodes fiables et pré-
par l’extension spatiale de la fonction veloppement de la spintronique anti- cises pour explorer les propriétés de
d’onde de spin électronique du centre ferromagnétique. Il a été démontré matériaux magnétiques aux échelles
NV, laquelle est de l’ordre de quelques récemment que la magnétométrie NV nanométriques. Afin d’atteindre un
angströms. En pratique, le pouvoir sé- offre une solution à ce problème [8]. public varié constitué de scientifiques
parateur du microscope magnétique À titre d’exemple, la figure 3 montre et d’ingénieurs de recherche, une so-
reste cependant limité par la distance une image de la distribution de champ lution instrumentale commerciale
entre la sonde NV et l’échantillon, qui magnétique produite par la rotation cy- doit répondre à plusieurs exigences,
est typiquement de l’ordre de quelques cloïdale de l’ordre antiferromagnétique incluant stabilité, reproductibilité et
dizaines de nanomètres. Le magnéto- dans la ferrite de bismuth, BiFeO3. Ce simplicité d’utilisation. Ceci est d’autant
mètre ainsi obtenu permet de réali- matériau multiferroïque est très étu- plus important lorsque le produit final
ser des cartographies quantitatives et dié en raison de la coexistence en son combine un grand nombre de techno-
vectorielles du champ magnétique, sein d’un ordre antiferromagnétique logies de pointe, voire émergentes (cap-
avec une sensibilité pouvant atteindre et d’un ordre ferroélectrique à tempé- teurs quantiques, microscopie à force
100 nT/Hz-1/2. De plus, la mesure est non rature ambiante. Le couplage magné- atomique ultra-stable, lecture optique
perturbative et elle peut être réalisée to-électrique entre ces deux ordres confocale d’un centre coloré unique).
à température ambiante sans aucune en fait un matériau de choix pour des Une première étape essentielle a été
restriction sur le choix des matériaux applications utilisant un champ élec- franchie avec le développement d’un
étudiés. La combinaison de toutes trique pour contrôler le magnétisme. procédé reproductible de micro-fa-
ces fonctionnalités n’est actuellement brication permettant la réalisation de
offerte par aucun autre dispositif de pointes AFM à partir de diamant de très
microscopie magnétique. Après les pre- Figure 3 : (a) Structure schématique de l’ordre haute pureté, offrant une amélioration
mières expériences de preuve de prin- antiferromagnétique cycloïdal dans BiFeO3. considérable des propriétés quantiques
cipe réalisées il y a une dizaine d’années La direction de propagation de la cycloïde (k) est du centre NV, ainsi que de sa localisa-
[5,6], la magnétométrie NV à balayage perpendiculaire à la polarisation ferroélectrique (P). tion à l’extrémité de la pointe [5]. Ce
a rapidement trouvé de nombreuses (b,c) Cartographie du champ magnétique produit procédé, reposant sur des techniques
applications en physique de la matière par la cycloïde pour deux orientations différentes de lithographie et de gravure sèche
condensée, incluant l’étude de textures du vecteur polarisation. empruntées à l’industrie du semi-
de spin chirales dans des couches fer-
romagnétiques ultraminces, l’image-
rie de courant dans des composants à
base de graphène, ou encore l’analyse
de l’ordre magnétique dans des aimants
bidimensionnels jusqu'à la limite de
la monocouche.
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DOSSIER
Figure 4 : (a) Photographie par microscopie électronique à
balayage d’une pointe en diamant contenant un centre NV unique
à son extrémité, le QuantileverTM. (b) Qnami ProteusQ, le premier
magnétomètre NV à balayage commercial réalisé en partenariat entre
les sociétés Qnami (Suisse) et HORIBA Scientific (France)
conducteur, a permis une augmentation et une mise à l’échelle
des performances du composant central de la technologie
[cf. Fig 4.(a)]. Le développement consécutif d’une plateforme
instrumentale permettant l’intégration de ce nouveau capteur
quantique est également remarquable. D’une part, le choix des
composants, et la réalisation d’une plateforme dédiée permet d’of-
frir commercialement des performances supérieures aux meil-
leurs prototypes expérimentaux réalisés jusque-là (taille d’image,
vitesse d’acquisition, sensibilité). D’autre part, l’intégration dans
une interface utilisateur simplifiée de protocoles de mesures nou-
veaux utilisant les propriétés quantiques du centre NV permet de
viser un public large, au-delà de la communauté d’experts en mé-
canique quantique, jusque dans l’industrie. La figure 4(b) présente
ce premier magnétomètre NV à balayage commercial, réalisé en
partenariat par les entreprises Qnami et HORIBA.
CONCLUSION
La magnétométrie NV à balayage apparait aujourd’hui comme un
nouvel outil prometteur pour l’exploration de matériaux émer-
gents, la compréhension de phénomène magnétiques aux échelles
nanométriques et le développement de nouveau dispositifs spin-
troniques. Outre son extrême sensibilité aux champs magnétiques,
le capteur NV peut également être utilisé pour sonder des champs
électriques via l’effet Stark, ou bien des variations de température
et de pression. Ces propriétés en font un capteur multifonction-
nel, permettant d’envisager de nombreuses applications dans des
domaines de recherche variés allant de la microélectronique, à la
physique des hautes pressions et à la biophysique.
RÉFÉRENCES
[1] A. Gruber et al., Science 276, 2012-2014 (1997)
[2] G. Balasubramanian et al., Nature 455, 648-651 (2008)
[3] J. R Maze et al., Nature 455, 644-647 (2008).
[4] L. Rondin et al., Rep. Prog. Phys. 77, 056503 (2014).
[5] P. Maletinsky et al., Nature Nanotechnology 7, 320-324 (2012).
[6] L. Rondin et al., Appl. Phys. Lett. 100, 153118 (2012).
[7] V. Baltz et al., Rev. Mod. Phys. 90, 015005 (2017).
[8] I. Gross et al., Nature 549, 252-256 (2017).
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