Les atomes individuels dans le collimateur

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire - en abrégé spectroscopie RMN - est l'une des principales méthodes d'investigation physico-chimique. Elle permet par exemple de déterminer avec précision la structure et la dynamique des molécules. L'importance de cette méthode pour la science est également illustrée par le fait que les deux derniers lauréats du prix Nobel de l'ETH Zurich, Richard Ernst et Kurt Wüthrich, ont été récompensés pour des développements de cette méthode.

La technique repose sur la résonance magnétique nucléaire. On utilise le fait que certains noyaux atomiques interagissent avec un champ magnétique. Le spin nucléaire est une grandeur importante. Il est comparable à l'axe de rotation d'une toupie pour enfants. Comme lorsqu'une toupie se met à vaciller - les spécialistes parlent de précession - les spins nucléaires exposés à un champ magnétique commencent eux aussi à se préciser. Il en résulte un signal électromagnétique qui peut être mesuré de l'extérieur à l'aide d'une bobine d'induction.

Une résolution massivement plus élevée

Des chercheurs du groupe de Christian Degen, professeur de physique des solides à l'ETH Zurich, viennent de développer une nouvelle approche qui permet pour la première fois de suivre directement la précession d'un seul spin nucléaire. A titre de comparaison, les mesures RMN traditionnelles nécessitent, selon la situation, au moins 10¹² jusqu'à 10¹⁸ Noyaux atomiques nécessaires pour qu'un signal de mesure puisse être enregistré.

Dans leur travail, les chercheurs de l'ETH ont étudié le comportement des atomes de carbone 13 dans les diamants. Pour cela, ils n'ont pas mesuré la précession du noyau de carbone de manière traditionnelle, mais ont utilisé comme capteur le spin électronique voisin d'un défaut de réseau du diamant - un centre NV. "Nous utilisons donc un deuxième système quantique pour étudier le comportement du premier système quantique", explique Kristian Cujia, doctorant dans le groupe de Degen, pour résumer le principe. "Nous avons ainsi créé un système de mesure très sensible".

Un grand potentiel pour les applications futures

Les systèmes quantiques sont des objets délicats, car lors d'une mesure, on influence toujours le système observé. C'est pourquoi les chercheurs ne pouvaient pas suivre en continu le comportement du spin du carbone, car le mouvement de précession aurait alors été trop fortement modifié. Ils ont donc développé une méthode de mesure spéciale, dans laquelle le spin de l'atome de carbone est enregistré par une série de mesures faibles se succédant rapidement. Il a ainsi été possible de maintenir l'influence de l'observation à un niveau suffisamment bas pour que le système ne soit pas influencé de manière mesurable et que le mouvement circulaire initial reste toujours reconnaissable.

"Notre méthode ouvre la voie à un développement remarquable de la technologie RMN", constate Degen. "Nous sommes ainsi potentiellement en mesure d'enregistrer directement des spectres de molécules individuelles et d'analyser des structures à l'échelle atomique". Comme premier exemple, les physiciens ont déterminé la position tridimensionnelle des noyaux de carbone dans le réseau de diamant avec une résolution atomique. Les physiciens voient un grand potentiel dans ce développement. "Des mesures RMN aussi détaillées pourraient conduire à des aper?us entièrement nouveaux dans de nombreux domaines, comme cela a déjà été fait par la spectroscopie RMN traditionnelle au cours des dernières décennies".

Ce travail a été réalisé dans le cadre du P?le de recherche national Quantum Science and Technology (NCCR QSIT) a été réalisé.