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Les capteurs, l’autre révolution quantique

Les capteurs, l’autre révolution quantique

13.01.2021, par
Microcircuit à atomes du gyromètre GyrAChip élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes.
Médecine, génie civil, télécommunications, gestion des ressources naturelles... Les capteurs quantiques, qui offrent à la fois une sensibilité et une précision uniques, s'apprêtent à révolutionner la détection dans de nombreux domaines.

Pouvoir repérer dans le sous-sol de nos villes chaque canalisation ou chaque cavité, prévoir une éruption volcanique, ou encore observer l'activité cérébrale dans ses moindres détails... Telles sont quelques-unes des alléchantes promesses offertes par des instruments d'un genre nouveau, dotés d'une sensibilité inédite : les capteurs quantiques. De toutes les technologies quantiques actuellement en développement, ils sont aujourd'hui parmi les plus aboutis. Certains d'entre eux commencent à sortir des laboratoires et même à être commercialisés !

Une sensibilité exceptionnelle

Comme leur nom l'indique, les capteurs quantiques utilisent les propriétés de la physique quantique, la théorie qui décrit les phénomènes à l’échelle atomique. Au cœur de ces dispositifs, on trouve des objets microscopiques (photons, atomes, électrons...) que les physiciens savent désormais manipuler parfaitement et placer à la demande dans tel ou tel état quantique. Or, ces états quantiques sont extrêmement sensibles à la moindre perturbation de l'environnement. C'est sur ce principe même que s'appuient les capteurs quantiques et qui explique leur exceptionnelle sensibilité à de minuscules signaux de différentes natures, que ce soit l'attraction gravitationnelle d'un objet situé sous nos pieds ou des champs magnétiques émis par notre cerveau.

Premiers capteurs quantiques à tirer leur épingle du jeu : les interféromètres à atomes. Dans ces dispositifs développés initialement pour la recherche fondamentale et la métrologie, on refroidit par laser un nuage d'atomes – composé de quelques millions de particules – à des températures très basses, environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. « Dans ces conditions, les atomes se déplacent tellement lentement qu'il devient possible de mesurer avec une très grande précision les forces auxquelles ils sont soumis : une accélération ou une rotation », explique Arnaud Landragin, directeur du laboratoire Systèmes de référence temps-espace1 et lauréat de la médaille de l'innovation 2020 du CNRS.

Arnaud Landragin (au second plan), lauréat de la médaille de l’Innovation du CNRS 2020 et Leonid Sidorenkov, du laboratoire Syrte, près d’une source d'atomes froids.
Arnaud Landragin (au second plan), lauréat de la médaille de l’Innovation du CNRS 2020 et Leonid Sidorenkov, du laboratoire Syrte, près d’une source d'atomes froids.

Avec ces instruments, on peut mesurer en particulier l'accélération de la pesanteur – on parle alors de gravimètre atomique. Pour cela, on laisse les atomes chuter sous l'effet de la gravité. Durant leur chute, les particules sont soumises à une série d'impulsions laser qui place chacune d'entre elles dans une superposition quantique – entre un état où elle n'a pas absorbé de photon laser et un autre où elle a reçu une vitesse en absorbant un photon – avant de faire interférer ces deux états. On observe alors un signal d'interférence qui trahit une différence de parcours entre les deux états, due à l'accélération de la pesanteur (g). Ce qui permet ainsi de remonter à la valeur de cette dernière. « La mesure est extrêmement précise : on parvient à détecter des fluctuations de g de l'ordre d’un pour un milliard, soit la variation de pesanteur quand on s'élève de trois millimètres par rapport à la surface de la Terre ! », note Philippe Bouyer, directeur du Laboratoire photonique, numérique, nanosciences2.

Des gravimètres atomiques ultra-stables

Une telle précision ouvre la voie à de nombreuses applications, une mesure fine de la gravité fournissant en effet de précieuses informations sur la composition du sol. Une masse de granite, une nappe de pétrole ou un réservoir d'eau souterraine, par exemple, auront des densités différentes et contribueront à des valeurs de g légèrement différentes en surface. De quoi faciliter la prospection et la gestion des ressources naturelles. De même, en plaçant un tel gravimètre sur le flanc d'un volcan, les géophysiciens pourraient mieux comprendre son activité : si des poches de magma apparaissent ou disparaissent près de la surface, g sera modifié. Idem pour surveiller le mouvement des plaques tectoniques dans des zones d'activité sismique.

Gravimètre Muquans installé au sommet de l’Etna.
Gravimètre Muquans installé au sommet de l’Etna.

Rapidement, les chercheurs comprennent tout le potentiel de leur dispositif et travaillent d'arrache-pied pour le faire sortir des laboratoires. C'est le cas d'Arnaud Landragin et Philippe Bouyer qui, après avoir mis au point une technique d'optique pour simplifier le fonctionnement de leur gravimètre, décident de créer la société Muquans en 2011. Aujourd'hui, l'entreprise française est la seule au monde à commercialiser ce genre de senseurs. Elle en a vendu une dizaine d'exemplaires, essentiellement à des instituts de recherche en géophysique. Un de ses gravimètres a même été installé cet été au sommet de l'Etna, dans le cadre du projet européen Newton-g, pour suivre les déplacements de magma, avec l'objectif de relier ces derniers à l'activité du volcan et peut-être de prévoir un jour ses éruptions.

Des appareils de plus en plus compacts

L'instrument de Muquans, qui consiste en un cylindre de 70 cm de haut et un second module un peu plus grand pour l'électronique et les lasers, est relativement compact. En termes de taille, seul un autre type de gravimètre, constitué d'une masse suspendue au bout d'un ressort, fait mieux. Facilement transportable, c'est ce dispositif qui est aujourd'hui le plus utilisé sur le terrain. « Le problème, c'est qu'il fournit une mesure qui dérive dans le temps, si bien qu'il faut revenir le calibrer régulièrement. Au contraire, le gravimètre atomique donne une mesure absolue qui reste stable dans le temps, puisque son fonctionnement s'appuie sur les lois de la physique quantique », avance Arnaud Landragin.

(...) le gravimètre atomique donne une mesure absolue qui reste stable dans le temps, puisque son fonctionnement s'appuie sur les lois de la physique quantique.

En termes de précision, un autre type de gravimètre, absolu lui aussi, constitué d'un interféromètre optique dont l'un des miroirs subit une chute libre, fait aussi bien que son équivalent atomique. « L'inconvénient, c'est que ses pièces mécaniques sont soumises à une usure importante, contrairement au gravimètre à atomes qui nécessite peu de maintenance. Résultat : on peut utiliser ce dernier pour faire des relevés en continu sur de longues durées », poursuit le physicien. Un avantage de taille pour mettre en place une surveillance des phénomènes naturels sur le long terme.

Avec de tels atouts, on comprend pourquoi de plus en plus de géophysiciens adoptent ce nouveau gravimètre. D'autant que sa taille va encore diminuer dans le futur. « D'ici à quatre ans, notre instrument devrait être deux fois moins lourd, 50 kg contre 100 aujourd'hui. De quoi élargir encore davantage son domaine d'utilisation », se réjouit Bruno Desruelle, président de Muquans.

Des gradiomètres pour détecter les cavités enfouies

Et ce n'est pas tout. Dans les laboratoires et les entreprises comme Muquans, on travaille actuellement à la conception d'un nouvel instrument, sorte de version améliorée du gravimètre : le gradiomètre. Celui-ci permet de s'affranchir des vibrations du sol qui peuvent venir perturber la mesure. Pour cela, on utilise deux nuages d'atomes soumis aux mêmes vibrations mais tombant de deux hauteurs différentes. En comparant le signal des deux nuages, on peut soustraire le bruit parasite tout en obtenant une mesure du gradient de gravité. « Le gradiomètre permet ainsi de détecter des petites masses situées à une faible profondeur, alors que le gravimètre est sensible à des masses importantes à grande profondeur », précise Bruno Desruelle.

Prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude.
Prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude.

Ce senseur pourrait faciliter la vie des entreprises de génie civil et de construction. Actuellement, pour repérer une ancienne mine ou une autre structure souterraine dangereuse, celles-ci doivent mener des études de terrain longues et coûteuses ; et pour localiser des canalisations ou des câbles sous la chaussée, elles doivent souvent creuser. Avec un gradiomètre, on gagnerait énormément de temps – et d'argent.

Des accéléromètres qui ne dérivent pas

Ayant plus d'une corde à leur arc, les interféromètres atomiques pourraient également servir à mettre au point un système de navigation qui continuerait de fonctionner même en l'absence de signal GPS – un impératif pour les forces armées notamment. Un tel système autonome existe déjà : il consiste à utiliser des accéléromètres – qui mesurent l'accélération du véhicule – et des gyromètres – qui mesurent sa rotation – pour déterminer en permanence sa direction et sa vitesse de déplacement, et ainsi remonter à sa position. Mais tout comme les gravimètres à ressort, ces instruments dérivent dans le temps. Dans un avion de ligne, par exemple, l'instabilité de ces capteurs inertiels se traduit par une erreur d'une centaine de mètres après une heure de vol. « Parce qu'ils sont intrinsèquement stables, les accéléromètres et les gyromètres à atomes permettraient un guidage beaucoup plus précis », souligne Philippe Bouyer.

Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip.
Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip.

Ces centrales inertielles atomiques fonctionnent aujourd'hui, mais uniquement dans les laboratoires. Leur taille est encore trop importante pour qu'elles puissent être embarquées à bord de véhicules et elles ne sont pas encore assez robustes face aux vibrations notamment, qui sont nombreuses sur un bateau ou dans un avion.

Parce qu'ils sont intrinsèquement stables, les accéléromètres et les gyromètres à atomes permettraient un guidage beaucoup plus précis.

Plusieurs pistes sont étudiées pour les améliorer. Chez Thales, le géant français de la tech qui développe plusieurs technologies quantiques pour différents domaines d'utilisation, on cherche ainsi à miniaturiser au maximum le dispositif en utilisant une technique novatrice : les puces à atomes. Ici, il est toujours question d'atomes refroidis par laser, mais au lieu de les faire chuter, on vient les piéger magnétiquement sur une puce, où ils sont manipulés à l'aide d'ondes radio produites par des microfils électriques. « De cette façon, on espère concevoir un capteur inertiel d'un volume d'un litre seulement d'ici à 2030 », s'enthousiasme Daniel Dolfi, responsable du groupe de physique de Thales Research and Technology.

Puce atomique permettant de piéger des atomes froids après leur capture et refroidissement à l’aide de pièges magnéto-optiques. (Société Thales TRT, membre du réseau d'excellence FIRST-TF porté par le CNRS.)
Puce atomique permettant de piéger des atomes froids après leur capture et refroidissement à l’aide de pièges magnéto-optiques. (Société Thales TRT, membre du réseau d'excellence FIRST-TF porté par le CNRS.)

Des diamants de synthèse pour mesurer le champ magnétique

Autres capteurs quantiques extrêmement prometteurs : les centres NV (pour « nitrogen vacancy »), de microscopiques défauts logés à l'intérieur de diamants de synthèse, capables de détecter de très faibles champs magnétiques. Ces impuretés formées d'un atome d'azote et d'une lacune, à la place de deux atomes de carbone, se comportent comme des atomes uniques : excitées par un laser vert, elles émettent de la lumière rouge, dont l'intensité dépend de l'état de spin – un moment magnétique quantique que l'on peut se représenter comme une petite aiguille aimantée, donc sensible à un champ magnétique – des électrons piégés à leur voisinage. En envoyant des ondes micro-ondes à la bonne fréquence, on peut créer une superposition de ces états quantiques et on enregistre alors un changement de la quantité de lumière émise. Or, la présence d'un champ magnétique extérieur va écarter la position des états de spin et ainsi modifier cette fréquence dite de résonance – d'une valeur proportionnelle à l'intensité du champ. En mesurant la lumière rouge reçue, on peut ainsi remonter précisément à la valeur du champ magnétique.

« Le premier avantage des centres NV est leur simplicité de mise en œuvre : ils fonctionnent à température ambiante et ne nécessitent donc pas un lourd appareillage cryogénique, comme c'est le cas d'autres systèmes. Cela permet d'envisager de nombreuses applications », souligne Thierry Debuisschert, responsable de l'activité centres NV chez Thales. Ainsi, certains détecteurs de champ magnétique existants, les Squid, font certes mieux que les centres NV en termes de sensibilité, mais ils doivent travailler à très basse température.
 

Illustration de l’analyseur de spectre utilisant les centres NV du diamant.
Illustration de l’analyseur de spectre utilisant les centres NV du diamant.

Des microscopes magnétiques à diamant

L'autre atout de ces atomes artificiels est leur taille. On sait aujourd'hui fabriquer de minuscules diamants de quelques dizaines de nanomètres contenant un seul centre NV. Placez un tel diamant au bout d'une pointe en silicium et approchez-le très près d'un matériau et vous obtenez un nouveau type de microscope, capable de déterminer en détail les propriétés magnétiques de l'objet en balayant sa surface. 

Avec ce microscope à centre NV, on peut faire une mesure très fine du champ magnétique d'un matériau avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. C'est unique.

« Avec ce microscope, on peut faire une mesure très fine du champ magnétique d'un matériau avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. C'est unique », lance Vincent Jacques, du Laboratoire Charles Coulomb3, qui a réalisé en 2012 avec son équipe les premières images magnétiques par microscopie à centre NV. Depuis cette démonstration, plusieurs start-up se sont lancées dans le développement de ces microscopes d'un nouveau genre et les premiers prototypes commerciaux sont désormais disponibles à la vente. C'est aujourd'hui l'application la plus mûre des centres NV.

Un domaine en particulier devrait faire des pas de géant grâce à ces instruments : la spintronique, une branche de l'électronique qui exploite le spin des électrons et pas seulement leur charge électrique. Actuellement, plusieurs matériaux sont envisagés pour améliorer les composants de cette électronique du futur. Et pour identifier les meilleurs candidats, il faut d'abord comprendre parfaitement leurs propriétés magnétiques. « Pour cela, le microscope à centre NV est l'outil idéal car il est le seul à pouvoir sonder, à température ambiante, le champ magnétique à l'échelle nanométrique, au niveau de quelques moments magnétiques », note Vincent Jacques.

Un nouveau procédé d’imagerie à l’échelle de la cellule

En biologie et en chimie, les applications sont également prometteuses. Comme les centres NV sont contrôlables à température ambiante et que le diamant n'est pas toxique, il est en effet possible de placer directement, sans les endommager, des cellules ou des molécules sur la surface d'un diamant de quelques millimètres, dans lequel on a implanté de nombreux centres NV – ce qui booste sa sensibilité au champ magnétique. L'idée consiste alors à mesurer la résonance magnétique nucléaire (RMN) de ces échantillons, c'est-à-dire les champs magnétiques oscillants produits par les spins des noyaux atomiques. « L'avantage par rapport aux autres techniques de RMN, c'est qu'on est sensible à quelques spins, voire à un seul, précise Thierry Debuisschert, qui coordonne le projet européen Asteriqs dont le but est d'explorer de nombreuses pistes d'utilisation et d'amélioration des centres NV. Cela permet de caractériser des cellules ou des molécules uniques ».

Les recherches ont déjà débuté dans cette direction et on espère utiliser un jour ces capteurs pour analyser en détail l'activité du cerveau, ou encore étudier finement la structure d'une protéine dans l'espace – qui détermine son fonctionnement –, ce qui serait un atout considérable pour concevoir de nouveaux médicaments.

Améliorer les télécommunications

Chez Thales, une utilisation très originale de ces senseurs quantiques est en cours de développement. « Plutôt que d'utiliser les centres NV pour détecter un champ magnétique, on peut faire l'inverse : appliquer un champ magnétique sur le diamant afin d'identifier les fréquences micro-ondes présentes dans l'environnement » , explique Thierry Debuisschert. Le dispositif devient alors un analyseur de spectre, capable de reconnaître simultanément et en temps réel des centaines de fréquences différentes dans le domaine des ondes radar.

Plutôt que d'utiliser les centres NV pour détecter un champ magnétique, on peut faire l'inverse : appliquer un champ magnétique sur le diamant afin d'identifier les fréquences micro-ondes présentes dans l'environnement.

À terme, cet outil pourrait être utilisé par les militaires pour intercepter des communications ou identifier une menace (signature d'un radar, d'un missile). Au quotidien, il permettrait d'améliorer les télécommunications mobiles : en analysant en permanence les bandes de fréquences utilisées, on pourrait les réallouer en temps réel à tel ou tel opérateur en fonction du besoin. Le prototype de laboratoire mis au point par le groupe français a déjà démontré tout l'intérêt de la technique. Et l'équipe travaille désormais à réduire sa taille et augmenter sa sensibilité, notamment en collectant plus efficacement la lumière rouge émise par le diamant et en améliorant la qualité du cristal. Pour pouvoir, d'ici à cinq ans environ, proposer un capteur digne de ce nom.

 

Ces défauts du diamant n'ont pas fini de faire parler d'eux. D'autant que les scientifiques commencent à explorer leur capacité – toujours grâce à leurs états de spin – à mesurer également de minuscules champs électriques et d'infimes variations de température et de pression. Bref, ce serait le détecteur ultime. Avec leurs multiples facettes, l'avenir des capteurs quantiques s'annonce radieux. 

À lire sur notre site
Julie Grollier, chercheuse (bio)inspirée
Supraconductivité, une révolution qui venait du froid
 

Notes
  • 1. Unité CNRS/Observatoire de Paris-PSL/Sorbonne Université.
  • 2. Unité CNRS/Institut d'optique graduate school/Université de Bordeaux.
  • 3. Unité CNRS et Université de Montpellier.
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Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

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Physique quantique
Diaporama
24/05/2017

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