Le centre NV du diamant

Le centre NV est un défaut dans la structure cristalline du diamant. Un diamant pur est composé uniquement d'atomes de carbone arrangés dans une structure cubique avec chacun 4 voisins. Cependant, personne n'est parfait et ils contiennent toujours une quantité infime d'impuretés, dont la présence peut être révélée par la couleur du diamant : les atomes d'azote sont trahis par une couleur jaune, ceux de bore rendent les diamants bleus. Un centre NV est composé d'un atome d'azote (N) adjacent à une lacune (V, pour vacancy), c'est à dire un site dans la structure qui devrait être occupé par un atome mais qui est vide. Un diamant qui contient une forte concentration de centres NV est rose !

Mais quel est le rapport avec la magnétométrie ? Les centres NV sont un bon exemple de capteur quantique, un système dont on peut utiliser la forte sensibilité aux perturbations externes pour mesurer précisément des grandeurs physiques. Avec un centre NV, on peut ainsi mesurer le champ électrique, la température, la pression, et surtout le champ magnétique.

Comment mesure-t-on un champ magnétique avec ce petit défaut ?

On le mesure optiquement. En effet, quand on envoie un laser vert sur le centre NV, il émet de la lumière rouge qu'on appelle photoluminescence et dont l'intensité va varier avec le champ magnétique. Pour rentrer un peu plus dans les détails, le centre NV a un spin 1, ce qui signifie qu'il a 3 états possibles, qu'on note -1, 0 et +1. Quand le centre NV est dans l'état 0, il émet beaucoup plus de lumière quand lorsqu'il est dans les états -1 et +1. Si on se contente d'éclairer le centre NV avec le laser vert, il reste dans l'état 0. En revanche, si on rajoute un champ micro-onde en faisant passer un courant oscillant autour de 3 GHz dans un fil juste à côté du centre NV, on peut le faire passer dans les états +1 et -1. Et ça, on le détecte en constatant qu'il émet moins de lumière !

Il faut bien choisir la fréquence du champ micro-onde qu'on utilise, elle doit correspondre exactement à la différence d'énergie entre l'état 0 et les états -1 et +1 pour que cela fonctionne. Et c'est maintenant que le champ magnétique entre en jeu, en changeant l'énergie des états -1 et +1 grâce à l'effet Zeeman. La fréquence qu'il faut choisir pour que la photoluminescence du centre NV diminue dépend directement de la valeur du champ magnétique. Et on peut mesurer cette fréquence très précisément et ainsi détecter des champs magnétiques très faibles.

Un microscope à balayage de centre NV

Pour le projet DIMAF, le champ magnétique est mesuré à l'échelle du nanomètre à l'aide d'un centre NV unique. Ce centre NV est implanté au bout d'une pointe faite entièrement en diamant et fabriquée par Qnami. On dispose ainsi d'un capteur de la taille d'un atome ! Pour accéder au champ magnétique que produisent nos échantillons, on utilise la pointe pour faire de la microscopie à force atomique : la pointe se trouve tellement proche de la surface de l'échantillon qu'il est possible de détecter les forces de répulsion entre les atomes. On régule ainsi la distance entre la pointe et l'échantillon en gardant cette force constante. Cela permet notamment de cartographier le relief de la surface à étudier en scannant la pointe au-dessus d'une zone bien définie. Cette zone est ainsi découpée en pixels, et en chacun de ces pixels, on va mesurer la photoluminescence émise par le centre NV quand on fait varier la fréquence micro-onde pour en extraire la valeur du champ magnétique local.

Comme il est possible de détecter des champs magnétiques très faibles, la magnétométrie NV est une technique particulièrement adaptée à l'étude des matériaux antiferromagnétiques.