Un magnétomètre quantique en diamant très sensible peut réaliser une magnétoencéphalographie dans des conditions ambiantes pratiques

Un magnétomètre quantique en diamant très sensible utilisant des centres de lacune à l'azote peut réaliser une magnétoencéphalographie (MEG) à résolution millimétrique, comme l'ont rapporté des scientifiques de Tokyo Tech. Le nouveau magnétomètre, basé sur la résonance magnétique à détection optique à onde continue, marque une étape importante vers la réalisation du MEG dans des conditions ambiantes et d'autres applications pratiques.

MEG est une technique d'imagerie biomédicale utilisée pour cartographier l'activité cérébrale en enregistrant les champs magnétiques produits par les courants électriques naturels générés par les neurones du cerveau, à l'aide de magnétomètres très sensibles.

Actuellement, le MEG nécessite une salle protégée magnétiquement pour fonctionner. Parvenir à un MEG qui fonctionne dans des environnements normaux, sans avoir recours à un blindage magnétique, est un objectif majeur. Cela permettrait un diagnostic quotidien, des interfaces cerveau-machine et des recherches fondamentales sur la fonction cérébrale.

Les magnétomètres utilisant des capteurs quantiques en diamant avec des centres de lacune d'azote (NV) sont des candidats prometteurs pour réaliser le MEG dans les conditions ambiantes. Ces capteurs devraient offrir une résolution à l’échelle millimétrique nettement meilleure que les MEG conventionnels à l’échelle centimétrique. Notamment, les centres NV sont des défauts dans la structure d'un diamant, constitués d'un atome d'azote substitué à un atome de carbone, à côté d'une lacune.

Une méthode courante pour mesurer les champs magnétiques avec des centres NV est la résonance magnétique à détection optique à onde continue (CW-ODMR). Dans cette méthode, un champ micro-ondes continu est utilisé pour manipuler les états de spin des centres NV pendant qu'ils sont éclairés par un laser. L'intensité de cette fluorescence induite par laser change en fonction du champ magnétique externe.

En mesurant ces changements de fluorescence, le champ magnétique externe peut être détecté et mesuré. Comparée à d’autres méthodes, cette méthode est plus simple et plus facile et peut atteindre une résolution à l’échelle millimétrique.

S'appuyant sur cette technologie, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur agrégé Naota Sekiguchi du département de génie électrique et électronique de l'Institut de technologie de Tokyo, a récemment développé un magnétomètre quantique à diamant novateur et sensible.

“Le MEG cliniquement acceptable nécessite des sensibilités, au moins, de l'ordre du picotesla (pT) dans la plage de fréquences proches du courant continu de 5 à 100 Hz dans un temps de mesure raisonnable. Actuellement, les magnétomètres au diamant nécessitent un concentrateur de flux magnétique (MFC) pour atteindre Cependant, les MFC réduisent la résolution spatiale intrinsèque des magnétomètres.

“De plus, pour les MEG, une courte distance de mesure est requise car la décroissance des champs magnétiques augmente de façon exponentielle avec la distance. Pour surmonter ces défis, nous avons conçu un magnétomètre à diamant sensible basé sur CW-ODMR”, explique Sekiguchi.

Leur étude a été publiée dans la revue Examen physique appliqué.

Le nouveau magnétomètre utilise un diamant monocristallin qui a été fabriqué à l'aide d'un procédé haute pression et haute température (HPHT). Après la synthèse HPHT, un morceau de cristal a été découpé parallèlement au plan cristallin (111) et des centres NV chargés négativement ont été produits dans le cristal à l'aide d'une irradiation par faisceau d'électrons suivie d'un recuit à 1 000 ℃.

Cet ensemble central NV a été placé dans la tête du capteur, conçu pour approcher la cible à environ un millimètre avec un volume de détection de 4 x 10^-3 mm³. L’ensemble a été excité par un laser vert polarisé linéairement d’une longueur d’onde de 532 nanomètres, et une lentille hémisphérique à indice de réfraction élevé a été utilisée pour améliorer l’efficacité de collecte de la fluorescence induite par le laser.

En ajustant soigneusement les conditions expérimentales, les chercheurs ont atteint une sensibilité record de 9,4 ± 0,1 pT Hz^-1/2 dans la plage de fréquences de 5 à 100 Hz, sans MFC. De plus, l’analyse de l’écart d’Allan a montré que le magnétomètre peut mesurer des champs magnétiques aussi bas que 0,3 pT et maintenir une sensibilité remarquable pendant une longue période. De plus, sa conception est adaptée aux applications pratiques telles que le MEG d’un animal vivant.

Les sensibilités élevées obtenues dans cette étude marquent une étape importante vers la réalisation du MEG dans les conditions ambiantes avec une résolution à l’échelle millimétrique. Pour l'avenir, Sekiguchi conclut : « À l'avenir, nous prévoyons de mesurer le MEG des animaux à l'aide des capteurs développés dans cette étude et de réaliser des mesures de MEG avec des capteurs quantiques en diamant. À terme, nous visons à atteindre le MEG sans avoir recours à un blindage magnétique. “