Comment un laboratoire de physique extrêmement complexe devient-elle un produit commercialisable ? Tout est dans la réduction, explique Robert Staacke, dont la start-up se concentre sur les capteurs quantiques optiques : retirer jusqu’à ce qu’il ne reste que l’essentiel. Un minimum de fonctions qui, au lieu de tables optiques surchargées, ne remplissent qu’un boîtier maniable et peuvent être comprises même sans avoir étudié la physique. Les magnétomètres industriels de Quantum Technologies sont notamment destinés à révolutionner la technologie des capteurs automobiles. Pour cela, ils sont assistés par le distributeur Reichelt Elektronik, qui a été convaincu très tôt par cette technologie et a conclu un partenariat avec l’entreprise.
Les tâches de mesure dans l’automatisation des usines et des processus, mais aussi dans la technique automobile ou médicale, confrontent sans cesse les capteurs à de nouveaux défis. On a ainsi besoin de procédés précis, reproductibles et évolutifs, qui s’intègrent de manière avantageuse dans les applications dans des conditions d’utilisation défavorables, que ce soit à des températures élevées ou basses, dans des champs électromagnétiques ou dans des espaces de montage limités. Dans le domaine de la magnétométrie, la mesure des champs magnétiques, l’attention se porte depuis quelques années sur les capteurs quantiques, qui atteignent une sensibilité et une précision extraordinaires par rapport aux capteurs de mesure traditionnels. Contrairement aux capteurs à effet Hall ou magnétorésistifs par exemple, ils réagissent avec robustesse aux variations de température et mesurent sans hystérésis. Les interactions physiques quantiques à l’échelle subatomique, qui peuvent par exemple être générées et contrôlées dans les cristaux de diamant, constituent la base de cette technologie.
Avec des diamants et un laser pour la mesure des champs magnétiques
L’entreprise Quantum Technologies, une entreprise dérivée de l’université de Leipzig, travaille déjà depuis 2020 dans le domaine des magnétomètres quantiques. Parmi les applications ciblées, on trouve par exemple des codeurs angulaires très sensibles, des capteurs robustes pour la détection de courant ou la surveillance des moteurs électriques. “Ce sont tous des domaines d’application problématiques, même pour les capteurs quantiques”, explique Robert Staacke, cofondateur et PDG de Quantum Technologies. “Soit le refroidissement nécessaire est un inconvénient lors de l’intégration des procédés de mesure, soit il faut recourir à un rayonnement micro-ondes. Mais ce dernier peut générer de la chaleur, et il est souvent difficile de séparer galvaniquement le capteur et l’environnement de mesure”. Des obstacles que Staacke et son équipe veulent surmonter grâce à leurs travaux.
Alors qu’il était encore doctorant, Staacke avait déjà mené des recherches à Leipzig sur les capteurs de champ magnétique qui utilisent les effets quantiques. En général, les scientifiques se concentrent sur les centres de couleur, en particulier les centres azote-lacune (NV), présents dans les cristaux de diamant. Ils permettent de mesurer optiquement les champs magnétiques et leurs variations. Les centres NV se forment lorsque, dans le réseau cristallin du diamant, une modification de l’élément carbone, l’un des atomes de carbone est remplacé par de l’azote, alors qu’il manque un atome de carbone voisin. Cette paire de défauts composée d’un atome d’azote (N) et d’un vide dans le réseau (lacune, V, pour “vacancy” en anglais) se caractérise par le fait qu’elle possède un spin de un. Les champs magnétiques externes influencent les niveaux d’énergie des états de spin du centre, ce qui entraîne à son tour une modification observable de la fluorescence. La lumière permet de stimuler énergétiquement le centre NV. Si l’on surveille la fluorescence qui en résulte, il est possible de déduire l’intensité du champ magnétique concerné.
Les micro-ondes sont bannies du capteur
Contrairement aux SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), par exemple, les magnétomètres à basse tension peuvent couvrir d’autres plages de mesure et fonctionner jusqu’à la température ambiante et au-delà. Cependant, il est généralement nécessaire d’orienter les centres NV dans l’espace en fonction du champ magnétique et d’utiliser le rayonnement micro-ondes. Mais bien que les capteurs NV ne nécessitent pas d’appareils de refroidissement coûteux comme ceux utilisés pour les SQUID, les micro-ondes requièrent également des structures spéciales. Par exemple, des antennes à proximité du diamant ou des boîtiers blindés pour augmenter la sensibilité de la mesure. La technologie innovante de Quantum Technologies suit donc une approche qui fonctionne indépendamment de la direction du champ magnétique et sans rayonnement micro-ondes : au lieu d’un cristal de diamant étendu et homogène, des nanoparticules de diamant sont utilisées à l’extrémité d’une fibre optique. L’orientation statistiquement distribuée des particules élimine la dépendance directionnelle inévitable dans les cristaux, l’anisotropie, des propriétés du matériau. La mesure du champ magnétique devient alors isotrope.
Cette technologie présente deux avantages clés. D’une part, les capteurs fonctionnent de manière purement optique. Ils peuvent être placés sans problème à l’extrémité d’une fibre optique, sans matériau conducteur électrique ou magnétique. La mesure peut ainsi être découplée galvaniquement et ne pas être influencée par des sources d’interférences électromagnétiques. D’autre part, le dispositif de mesure est très petit, facile à utiliser et peut être intégré dans des applications difficiles d’accès comme les moteurs électriques.
Il n’en a néanmoins pas toujours été ainsi. L’image que l’on peut se faire d’un laboratoire de recherche de centres NV est celle de montages expérimentaux compliqués, d’immenses tables optiques parsemées de composants et d’appareils. “Au début”, explique Robert Staacke, “nous émettions des doutes : comment pourrait-il en résulter un jour un produit ?” La démarche de son équipe était quelque peu atypique dans le domaine scientifique, où il s’agit généralement de mesurer avec encore plus de précision et de complexité pour découvrir un nouvel effet physique. “Nous nous sommes surtout posé la question de savoir comment réduire la complexité, comment simplifier le système ? Que pouvons-nous enlever pour que notre produit ait quand même un avantage que l’état actuel de la technique n’offre pas ?”
Le capteur quantique comme équipement minimal
Staacke décrit ainsi la configuration minimale qui en a résulté : “Nous avons besoin de nanoparticules de diamant, d’une source de lumière et d’un détecteur. Ensuite, nous évaluons la fluorescence rouge : c’est tout ce dont nous avons besoin. Ce n’est pas le capteur le plus sensible que l’on puisse réaliser avec des centres NV, mais en contrepartie, nous obtenons une séparation galvanique. Grâce aux nanoparticules de diamant, nous obtenons une possibilité de mesure isotrope et un point de mesure minuscule, ce qui offre de toutes nouvelles possibilités d’utilisation”.
La mesure non directionnelle et découplée des interférences ainsi que la faible empreinte du capteur sont des éléments clés pour les applications que Quantum Technologies souhaite exploiter : par exemple directement dans l’entrefer d’un moteur électrique ou à l’intérieur d’une batterie de véhicule électrique, dans les installations d’énergie à haute tension, dans la technique médicale invasive et la radiologie, ou pour les contrôles non destructifs en ligne des matériaux pour l’industrie métallurgique.
Selon Robert Staacke, il est important dans la pratique de disposer d’un signal de sortie facile à interpréter avec la fluorescence rouge d’intensité variable : “Les relations physiques sous-jacentes à la mesure sont vraiment compliquées. Mais les changements de luminosité sont très faciles à comprendre pour tout le monde, et ce même sans être un spécialiste de la physique quantique”.
À cet égard, l’utilisation d’un seul point de mesure fait partie des scénarios d’application les plus simples. Selon Staacke, les procédés de scannage, tels que ceux utilisant un capteur mobile dans la caractérisation des matériaux, sont également encore relativement faciles à mettre en œuvre. Une caméra à champ magnétique quantique est quant à elle un peu plus complexe, mais des démonstrateurs ont déjà été mis en place. “Pour cela, nous avons recouvert une grande surface de nanoparticules de diamant, nous les avons stimulées au moyen d’une LED, puis avons observé la fluorescence rouge via une caméra CCD”.
Ouvrir les marchés, acquérir de l’expérience
Des démonstrateurs pour la mesure de position et de fréquence sur des aimants rotatifs, ou pour la surveillance de moteurs électriques, mais aussi les caméras à champ magnétique mégapixel : tels sont les appareils qui doivent montrer aux futurs clients de Quantum Technologies les avantages pratiques et la diversité des applications potentielles. Afin d’accélérer le processus d’entrée sur le marché, l’entreprise a déjà conclu un partenariat avec Reichelt Elektronik l’année dernière.
Christian Reinwald y dirige la gestion et le marketing des produits ; il considère cette coopération comme une chance de s’implanter très tôt dans un segment technologique en plein essor. “En tant que distributeur, nous sommes heureux de soutenir une start-up au potentiel technologique exceptionnel dans la conquête de ses marchés industriels”, commente-t-il à propos de cette collaboration. En parallèle, Reichelt se voit offrir la possibilité d’acquérir une première expérience dans l’application de la technologie des capteurs quantiques. Cette expérience est particulièrement précieuse, car les connaissances acquises profiteront à l’avenir aux clients de la distribution.
Actuellement, le capteur de champ magnétique quantique QT DMFS-C2 de Quantum Technologies est disponible dans le programme de distribution de Reichelt Elektronik. Équipé d’une fibre optique multimode et conçu pour des températures de fonctionnement de 15 à 25 °C et une puissance de stimulation de 5 mW, ce capteur robuste et compact est adapté à la mesure entièrement optique, galvaniquement isolée et isotrope de l’intensité du champ magnétique dans la plage de 0 à 75 mT. Il nécessite une source de lumière de stimulation pour la génération et un photodétecteur pour l’observation de la fluorescence, mais ne nécessite pas de rayonnement micro-ondes. Outre la photodiode, des filtres appropriés sont nécessaires dans le détecteur pour supprimer la longueur d’onde de stimulation. Ces exigences d’application et d’autres exigences ainsi que les spécifications du capteur quantique sont documentées en détail chez le distributeur.
Conclusion : la prochaine étape de l’intégration des capteurs
Du laboratoire de recherche de Leipzig à l’application industrielle des capteurs : Robert Staacke et Quantum Technologies ont réussi en quelques années à transférer la physique quantique complexe dans un produit industriel maniable et convivial. Ses capacités de mesure isotrope du champ magnétique d’un espace restreint permettront aux ingénieurs de développement d’intégrer la technologie des capteurs dans des scénarios de mesure entièrement nouveaux et dans des applications jusqu’ici inaccessibles dans les domaines de l’automatisation, de l’automobile et de la technique médicale. Le partenariat avec Reichelt Elektronik accélère l’introduction sur le marché des capteurs quantiques et contribue à approfondir les connaissances d’application correspondantes.
Images : Quantum Technologies
