Des scientifiques développent un laser

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Un effort de collaboration multinational a conduit à la découverte d'un nouveau capteur de diamant à base de laser qui peut mesurer les champs magnétiques jusqu'à 10 fois mieux que ce que font les instruments aujourd'hui, selon un communiqué de presse de l'université.

Les mesures de champ magnétique sont aujourd'hui largement utilisées dans le domaine de la médecine. L'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui combine l'utilisation d'un aimant et d'ondes radio pour observer les organes et les structures à l'intérieur du corps, est devenue un outil important pour examiner le cerveau et la moelle épinière et rechercher les premiers signes de maladies.

D'autre part, avec les progrès de la technologie médicale, nous pouvons désormais également mesurer les champs magnétiques produits par les courants électriques à l'intérieur de notre cerveau. En utilisant une technique appelée magnétoencéphalographie (MEG), les cliniciens peuvent désormais cartographier l'activité dans le cerveau et rechercher des emplacements qui pourraient être à l'origine de crises d'épilepsie ou repérer des neurones défectueux lors d'activités normales dans le cerveau.

Alors que des technologies comme le MEG sont une aubaine pour la communauté médicale, l'installation et l'exploitation de ces machines est un défi majeur. L'instrument capable de mesurer le champ magnétique est coûteux et remplit toute une pièce nécessitant un blindage magnétique. Il exige également des températures ultra-froides pour maintenir l'hélium utilisé dans l'instrument à l'état liquide. Le plus difficile de tous, c'est que le patient doit rester absolument immobile pendant qu'il effectue ces mesures.

Des chercheurs du Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) ont collaboré avec le Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) en Allemagne pour rechercher des moyens d'améliorer la détection de ces ondes et ont découvert que le diamant utilisé pour ces détections pouvait encore être amélioré.

Les diamants font partie des instruments utilisés aujourd'hui pour la détection des champs magnétiques. L'intensité de la lumière qui provient des défauts quantiques sur le diamant change avec la force du champ magnétique. Les chercheurs ont cependant découvert que la majeure partie de la lumière émise par le diamant est perdue.

En convertissant cette lumière en laser, les chercheurs ont pu tout collecter, ce qui a multiplié par 10 la détection du champ magnétique.

Les chercheurs prévoient qu'un instrument MEG fabriqué avec leur diamant à émission laser sera beaucoup plus petit que les instruments actuels et pourrait être rendu portable si nécessaire. Au lieu de rester assis, les patients pouvaient pratiquement marcher avec le MEG développé à l'aide de cette nouvelle technologie. Comme l'instrument ne nécessiterait pas d'hélium liquide, il fonctionnerait également à température ambiante.

L'instrument, dont la construction pourrait prendre jusqu'à cinq ans, sera utile pour détecter les premiers signes de maladies telles que la démence, la maladie d'Alzheimer et l'épilepsie.

Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Science Advances.

Abstrait

Les centres de vide d'azote (NV) chargés négativement dans le diamant sont des capteurs quantiques de champ magnétique prometteurs. La théorie de la magnétométrie à seuil laser prédit une amélioration de la sensibilité de l'ensemble du centre NV via une force de signal et un contraste de champ magnétique accrus. Ici, nous démontrons expérimentalement la magnétométrie à seuil laser. Nous utilisons une cavité laser macroscopique à haute finesse contenant un milieu de gain de diamant hautement dopé NV et faiblement absorbant qui est pompé à 532 nm et ensemencé par résonance à 710 nm. Cela permet une amplification de puissance du signal de 64% par émission stimulée. Nous testons la dépendance au champ magnétique de l'amplification et démontrons ainsi l'émission stimulée dépendante du champ magnétique à partir d'un ensemble de centre NV. Cette émission montre un contraste ultra élevé de 33% et une puissance de sortie maximale dans le régime du milliwatt. La lecture cohérente des centres NV ouvre la voie à de nouvelles applications à cavité et laser de défauts quantiques et de capteurs de champ magnétique NV en diamant avec une sensibilité considérablement améliorée pour les secteurs de la santé, de la recherche et des mines.