Les capteurs quantiques à base de diamants illuminent l’exploration de la Terre et de l’espace

- Ottawa, ON, Canada

"SDT Quantum CP magnet sensor static"

Quel est le point commun entre les diamants et les épaves?

SBQuantum, une jeune entreprise canadienne, produit des capteurs magnétiques novateurs qui exploitent la présence de défauts dans les diamants pour améliorer de manière significative la sensibilité et la portée des magnétomètres. Depuis 2 siècles, les magnétomètres s’appuient sur le champ magnétique terrestre pour repérer des épaves de navires et autres débris immergés, localiser précisément de nouveaux sites miniers et aider les militaires à localiser et à classifier certains objets.

Cette nouvelle technologie de capteur a vu le jour grâce à une équipe de chercheurs du Conseil national de recherches du Canada, de l’Université McGill et de l’Université de Sherbrooke et aux ingénieurs de SBQuantum. Les chercheurs s’occupent des études théoriques et des expérimentations, puis les ingénieurs de SBQuantum exploitent les résultats obtenus pour raffiner leur instrument et valider son fonctionnement.

« Il s’agit là d’un bon exemple qui montre la façon dont la recherche en laboratoire permet d’améliorer directement un produit commercialisable », explique Khabat Heshami (Ph. D.), agent de recherches au sein du groupe Théorie quantique et calculs du Centre de recherche sur les technologies de sécurité et de rupture du CNRC. Il précise que cette technologie quantique novatrice offre plusieurs moyens de détecter des champs magnétiques grâce à l’utilisation, au sein d’un diamant, d’un centre d’azote-lacune (un défaut du réseau atomique résultant de la présence d’un atome d’azote au voisinage immédiat d’un site lacunaire). Grâce à ses travaux théoriques et expérimentaux, l’équipe a découvert un nouveau moyen de sonder ces défauts et d’améliorer ainsi de manière importante la sensibilité et la portée de son magnétomètre.

Selon, David Roy-Guay (Ph. D.), co-fondateur et directeur général de SBQuantum, les essais ont montré que ce magnétomètre était maintenant 10 fois plus sensible que le prototype précédent. « Cela signifie que nous pourrons détecter des objets de plus loin, mettre en évidence de plus petites fluctuations du champ magnétique terrestre et créer des cartes plus précises pour la navigation. »

Les exploitants de mines pourront, par exemple, sonder le sol plus profondément, trouver des gisements plus petits et découvrir de nouveaux minéraux critiques, tout cela sans forage. Dans le secteur de la défense, le personnel militaire pourra détecter des objets, comme des sous-marins, avec plus de précision et de plus loin. Et dans l’espace, les scientifiques pourront détecter de plus faibles fluctuations du champ magnétique, ce qui permettra de créer des cartes plus précises pour la navigation.

« En exploitant les propriétés quantiques des diamants qui possèdent des centres azote-lacune, nous avons pu miniaturiser des composants du magnétomètre, continue M. Roy-Guay. Les capteurs seront suffisamment petits pour tenir dans un sac à dos ou être chargés sur un drone. Ils fonctionnent par ailleurs à température ambiante et ne nécessitent donc aucun système de refroidissement dispendieux, ce qui facilite leur déploiement pour des campagnes de détection magnétique à grande échelle. »

Perles du CNRC

SBQuantum, jeune entreprise de taille modeste, mais en expansion rapide, a bénéficié de sa collaboration avec le CNRC dans le cadre du programme Défi Internet des objets : capteurs quantiques. « Le programme a permis à l’entreprise d’accéder à de nombreuses ressources et bases de connaissances dont elle ne dispose pas à l’interne et d’accélérer ainsi la mise sur le marché de son produit », note Aimee K. Gunther (Ph. D.), directrice adjointe du programme.

« C’est notre collaborateur principal au sein du CNRC, M. Heshami, qui a proposé cette nouvelle idée de sonder simultanément plusieurs orientations atomiques sensibles au champ magnétique », précise M. Roy-Guay. C’est une approche qui diffère des méthodes actuelles qui consistent à n’utiliser qu’un niveau pour détecter les petites fluctuations du champ magnétique. Cette méthode va permettre de détecter plus rapidement les fluctuations du champ magnétique environnant. « Le CNRC est également conscient du fait que la recherche doit être appliquée au monde réel », rappelle M. Roy-Guay qui se dit par conséquent satisfait de constater qu’il n’a fallu que 12 mois au projet pour passer du stade d’idée en laboratoire à celui de prototype fonctionnel.

« Nous sommes parmi les premiers à mettre au point un appareil portable basé sur cette technologie à base de diamant », fait-il valoir. Selon lui, le financement provenant du programme Défi Capteurs quantiques, dans le cadre du Programme de collaboration en science, en technologie et en innovation, aide SBQuantum à rester à l’avant-garde des technologies quantiques, à préserver sa flexibilité et à se positionner de mieux en mieux face à la concurrence.

Des diamants dans l’espace

Nous baignons dans des champs magnétiques invisibles qui fluctuent en permanence. Les capteurs du magnétomètre quantique à base de diamants de SBQuantum sont utilisés pour entraîner un algorithme d’apprentissage automatique en vue de compenser les déviations pouvant provoquer des interférences magnétiques. Cette approche permet d’effectuer des mesures plus précises du Modèle magnétique mondial, la norme adoptée pour les systèmes de navigation, d’orientation et de référence de cap utilisant le champ magnétique terrestre.

Un nombre incalculable d’aéronefs, de navires, d’automobiles, de camions et de téléphones intelligents s’appuie sur ce modèle pour se repérer lors de leurs déplacements. Les décalages spatiaux du champ magnétique terrestre s’accélérant, le modèle doit cependant être surveillé au plus près que jamais et mis à jour plus souvent pour maintenir sa précision et assurer ainsi la sécurité du flux des marchandises et du déplacement des personnes.

Technologie perturbatrice par excellence, les capteurs de SBQuantum s’élanceront bientôt dans l’espace dans le cadre du défi MagQuest (en anglais seulement). Supervisé par la National Geospatial-Intelligence Agency (l’agence nationale de renseignement géospatial) des États-Unis, MagQuest est un concours doté de plusieurs millions de dollars pour trouver de nouvelles méthodes de cartographie du modèle plus précises et efficientes.

« Ce programme spatial vise à construire la prochaine version du Modèle magnétique mondial, explique M. Roy-Guay. En tant que participants, nous allons lancer le plus petit satellite du monde équipé d’une technologie quantique pour créer des cartes plus précises et publier des mises à jour plus fréquentes. » Il ajoute que « la possibilité de tester notre instrument dans l’espace est l’occasion rêvée de montrer à tous les acteurs du secteur ce que nous avons construit ici, au Canada. »

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