Modification quantique : implantation d’atomes uniques à l’aide d’accélérateurs à des fins de biodétection

Ces dix dernières années, les accélérateurs ont été employés intensivement dans le domaine de la technologie quantique afin de modifier et de caractériser les matériaux. Le principe consiste à utiliser des ions de haute énergie pour modifier les structures atomiques des matériaux, ce qui permet aux scientifiques de contrôler le comportement des atomes pris séparément. Les accélérateurs ont principalement été utilisés pour l’implantation ionique, une technique connue depuis plusieurs dizaines d’années largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs.

« Dans le cas des semi-conducteurs, on implante un grand nombre d’ions dans, par exemple, du silicium, afin d’en modifier les propriétés électriques », explique Andrew Bettiol, professeur associé à l’Université nationale de Singapour. « Pour les technologies quantiques, l’objectif est très différent. On veut contrôler les ions individuellement. On n’implante donc pas des millions ou des milliards d’ions, on en implante un seul. »

La difficulté à cet égard est de déterminer quand, où et si, en fait, un ion unique est implanté. « Ce n’est pas parce que vous implantez un ion dans la matière que celui-ci se comporte forcément comme il le devrait en tant que qubit ou centre de couleur », ajoute Andrew Bettiol. Les qubits, ou bits quantiques, sont des versions complexes des bits porteurs d’information utilisés en informatique conventionnelle, et les centres de couleur sont des défauts qui émettent de la lumière utilisée en détection quantique.

En mai 2021, l’AIEA a organisé un atelier de formation virtuel de quatre jours sur l’ingénierie des matériaux à l’aide de faisceaux d’ions, au cours duquel l’instrumentation par faisceau d’ions focalisé et la détection d’ions uniques ont été présentées sommairement. Plus de 80 personnes, dont la moitié issues de pays en développement, ont assisté à cet atelier, qui s’inscrivait dans le cadre d’un projet de recherche coordonnée. L’objectif était de faire mieux comprendre le domaine quantique et d’y intéresser de nouveaux acteurs. En parallèle, l’AIEA a lancé une formation en ligne consacrée à l’ingénierie des matériaux à l’aide de faisceaux d’ions pour les technologies quantiques, qui vise à mobiliser la prochaine génération d’experts du domaine quantique.

« L’AIEA joue un rôle de premier plan dans la coordination des travaux internationaux de collaboration et de recherche-développement sur les technologies quantiques en phase avec les initiatives nationales et internationales », déclare Aliz Simon, une physicienne nucléaire travaillant sur les accélérateurs à l’AIEA. « Elle poursuit ses travaux de recherche coordonnée afin d’exploiter les avantages des quanta pour le plus grand bien de la société. » Un nouveau projet de l’AIEA, dont le lancement est prévu plus tard dans l’année, favorisera la mise au point et l’optimisation d’une plateforme de biocapteurs basée sur les centres de couleur dans un diamant, qui permettra d’étudier les mécanismes infracellulaires. Dans le domaine quantique, les diamants sont utilisés comme semi-conducteurs pour détecter les champs électriques et magnétiques dans des cellules vivantes prises individuellement.

Le diamant, sous sa forme la plus pure, est un réseau d’atomes de carbone comportant plus de 500 défauts connus qui émettent de la lumière. L’un de ces défauts est le centre azote-lacune (NV), qui est causé par l’absence d’un atome de carbone, qui crée une lacune, et la substitution d’un atome de carbone voisin par un atome d’azote. « Les centres NV peuvent survenir naturellement à des emplacements aléatoires. Avec les accélérateurs, on peut aussi les créer artificiellement par implantation ionique, à des endroits précis, dans des cristaux de diamant nanométriques », explique Andrew Bettiol. Les centres NV peuvent être intégrés dans des cristaux de diamant nanométriques, on peut les contrôler à température ambiante et ils sont biocompatibles, c.-à-d. qu’ils ne sont ni dangereux ni toxiques pour les systèmes vivants.

Les centres NV des diamants permettent de détecter les champs magnétiques grâce à une technique appelée « détection optique de la résonance magnétique » (ODMR). Cette capacité de visualiser les champs magnétiques a des implications à la fois en biologie et en science des matériaux. « Il s’agit d’une manière optique d’observer l’émission de lumière et de détecter les minuscules champs magnétiques qui se produisent dans les processus biologiques », explique Andrew Bettiol. « Cette technique de biodétection quantique pourrait être utilisée pour visualiser ou mesurer des processus au niveau cellulaire qui ont un très petit champ magnétique, comme les champs magnétiques générés dans notre cerveau lorsque nos neurones s’activent. »

M. Bettiol utilise actuellement la technique ODMR pour détecter le paludisme. « Les globules rouges infectés par le paludisme ont de minuscules particules magnétiques que l’on peut détecter avec l’ODMR », indique-t-il. « Tout ce qui produit un champ électromagnétique pourrait potentiellement être détecté grâce à cette méthode. »

Le nouveau projet de l’AIEA permettra d’étudier plus en détail l’ODMR ainsi que la caractérisation et l’optimisation des dispositifs de détection. Il rassemble des chercheurs ayant un intérêt commun pour la biodétection et fait suite à un projet antérieur de plus grande portée visant à perfectionner les outils à faisceau d’ions basés sur les accélérateurs. « L’AIEA est un bon mécanisme de collaboration. Elle a créé une communauté d’experts qui peuvent échanger des informations et apprendre les uns des autres », se félicite Andrew Bettiol.