Le diamant est un assemblage organisé d’atomes de carbone, transparent à la lumière visible.
Il existe plusieurs teintes naturelles de diamants, souvent recherchées en joaillerie (Figure 1a-d), qui sont dues à des impuretés et des défauts dans la structure de carbone, qui absorbent la lumière.
Parmi ces très nombreux défauts colorés (plus de 500 sont répertoriés [1]), le centre azote-lacune (ou NV pour Nitrogen-Vacancy) possède des propriétés uniques.
Un centre NV (cf. Figure 1d) se compose d’un atome d’azote (N) qui s’est substitué à un atome de carbone, et d’un site voisin laissé vacant (V).
On peut se représenter le centre NV comme une molécule artificielle piégée dans un diamant solide. Il est donc facile à manipuler, et extrêmement petit (quelques Angströms)
Figure 1 – Centre NV – (a-d) – exemples de diamants colorés – (e) Schéma d’une maille de diamant contenant un centre NV. Un atome de carbone est remplacé par un atome d’azote (N), et un atome voisin est manquant (lacune- V)
Les propriétés du centre NV
Le centre NV est une source de photons unique parfaitement stable. Éclairé par une lumière verte, le centre NV réémet une lumière de photoluminescence rouge.
A la différence de nombreux pigments ou molécules, le centre NV ne s’éteint jamais. Cela en fait un marqueur luminescent de choix pour la biologie [2].
Un centre NV unique émet des photons uniques, les uns après les autres. Cette propriété fait du centre NV un candidat idéal comme source de lumière pour l’optique quantique, et il a notamment été utilisé pour des tests fondamentaux comme l’expérience à choix retardé de Wheeler [3, 4].
Outre ses propriétés optiques, le centre NV possède des propriétés de spin uniques.
Un spin est l’équivalent à l’échelle quantique d’un tout petit aimant, comme l’aiguille d’une boussole.
Lorsqu’on l’éclaire avec de la lumière verte, on peut préparer le spin du centre NV dans un état désiré. On peut directement lire l’état du spin du centre NV en regardant la quantité de lumière rouge qu’il émet.
En préparant le spin du centre NV dans un état connu, on peut étudier son interaction avec l’environnement.
Pour cela on mesure optiquement l’évolution de son état sous l’effet de différentes conditions de température, de champ magnétique ou de champ électrique.
On utilise ainsi le centre NV comme un capteur quantique, qui peut mesurer très précisément différentes grandeurs et avec une résolution atomique [].
La fabrication d’un diamant centre NV
Pour pouvoir utiliser le centre NV, il est important de pouvoir en contrôler la fabrication.
Le centre NV est présent naturellement dans la majorité des diamants en raison de l’abondance de l’azote dans l’air.
Toutefois, afin de disposer de densités suffisantes de ces centres, ou pour contrôler leur position, le diamant doit être dopé en azote.
Pour cela, on peut soit ajouter de l’azote pendant la création d’un diamant par déposition de vapeur chimique (CVD), soit bombarder un diamant avec de l’azote pour l’y implanter.
Dans les deux cas, il faut ensuite créer des lacunes dans le diamant, c’est-à-dire retirer des atomes de carbone.
Cela peut être effectué par ablation laser, ou en bombardant le diamant avec des faisceaux d’ions ou d’électrons.
L’étape finale est le recuit du diamant, à haute température (> 850°C), pour réarranger la matrice de diamant et favoriser la migration des lacunes vers les atomes d’azote et obtenir des centres NV.
De cette façon, on peut disposer de diamants très dopés en centres NV, et contrôler leur position dans le diamant [5], afin de les fabriquer en fonction des applications visées.
Étapes de fabrication d’un diamant centre NV
Références
[1] Zaitsev A. M., Optical Properties of Diamond (2001)
[2] Yuen Yung Hui et al 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 374021
[2] Jacques, Vincent; Wu, E; Grosshans, Frédéric; Treussart, François; Grangier, Philippe; Aspect, Alain; Roch, Jean-François (2007). « Experimental Realization of Wheeler’s Delayed-Choice Gedanken Experiment ». Science. 315 (5814): 966–8.
[3] Wikipédia
[5] Smith, Jason M., Meynell, Simon A., Bleszynski Jayich, Ania C. and Meijer, Jan. « Colour centre generation in diamond for quantum technologies » Nanophotonics, vol. 8, no. 11, 2019, pp. 1889-1906.
J Achard et al 2020 J. Phys. D: Appl. Phys. 53 313001, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ab81d1