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Un diamant + un défaut = un microscope magnétique très sensible


Cette équation vient d’être expérimentalement démontrée par une équipe du LPQM (CNRS et ENS Cachan) / LAC (CNRS, ENS Cachan & UPSUD), dans une collaboration avec le LPS (CNRS & UPSUD). Le défaut dans le diamant, appelé centre NV (un couple azote-lacune dans un monocristal de carbone), est un atome artificiel qui présente une forte variation de la lumière qu’il émet lorsqu’il est excité par un champ radio-fréquence résonant. En présence d’un champ magnétique, la fréquence de résonance varie d’environ 100 MHz par milli-Tesla de champ appliqué selon l’axe N-V, et ce linéairement pour des champs allant jusqu’à environ 10 mT (pour mémoire le champ terrestre est de 0.04 mT). Ces propriétés sont connues et déjà utilisées de plusieurs manières, mais un véritable microscope magnétique les mettant à profit n’existait pas encore.

 

L’instrument est basé sur la microscopie à force atomique, dans laquelle on approche un levier muni d’une pyramide de la surface de l’échantillon. L’astuce est d’avoir collé un seul nano-diamant (taille 20 nm) près de l’extrémité de la pyramide, en ayant au préalable vérifié qu’il contient un seul centre NV. La lumière de fluorescence émise par le centre est collectée par un microscope optique observant la pointe, et la radio-fréquence est finement balayée (autour de 2.9 GHz). La fréquence à laquelle une chute de fluorescence est observée est directement reliée au champ ressenti par le centre NV.

 

Les images, réalisées sur divers petits éléments magnétiques, démontrent la très grande sensibilité en champ magnétique de ce microscope, en révélant des détails jusqu’ici inobservés. Certes il existe des capteurs de champ de petite taille et de bonne sensibilité, comme les micro-sondes à effet Hall ou les micro-SQUID, mais ils moyennent le champ sur une surface dont le côté vaut typiquement 100 nm. Ici, le champ est mesuré sur une taille atomique (0 .1 nm). S’agissant d’une mesure de champ créé dans l’entourage d’un échantillon magnétique, la résolution spatiale magnétique de ce microscope est, comme celle d’une tête de disque dur, limitée par la distance entre objet et détecteur. Les chercheurs tentent de réduire encore cette distance, actuellement un peu inférieure à 100 nm. La remarquable sensibilité au champ magnétique de ce microscope (et non à son gradient comme dans la très répandue microscopie à force magnétique), jointe à sa résolution spatiale, devrait permettre à ce microscope de trancher des débats actuels sur la nature de certaines structures magnétiques, ou de révéler le magnétisme orbital de mésostructures.

 

A gauche, le schéma de l’expérience. Le centre NV, attaché à la pointe d’un microscope à force atomique, est balayé au-dessus d’un carré de l’alliage magnétique Ni80Fe20, de 1 micromètre de côté et 50 nm d’épaisseur, présentant 2 parois magnétiques en diagonale avec un vortex au centre. A droite, l’image magnétique obtenue avec le microscope à centre NV, montrant la distribution du champ magnétique émis par la structure (projeté le long de l’axe N-V). Le mode d’imagerie rapide développé dans ce travail permet de révéler des lignes d’iso-champ, correspondant ici à 0.6 et 0.9 mT. Copyright J.-P. Tetienne – ENS Cachan.

Référence :

 

Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamond spin, L. Rondin et al., Nature Commun. 4:2279 (2013)

 

Contacts :

 

  • Stanislas Rohart (stanislas.rohart@u-psud.fr) Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Sud et CNRS, Orsay
  • Vincent Jacques (vjacques@ens-cachan.fr) Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan et CNRS, Cachan ; Laboratoire Aimé Cotton, CNRS, Université Paris-Sud et ENS Cachan, Orsay