{"id":98415,"date":"2024-09-03T09:00:00","date_gmt":"2024-09-03T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/?p=98415"},"modified":"2024-08-30T09:29:36","modified_gmt":"2024-08-30T07:29:36","slug":"les-minimalistes-quantiques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/fr\/articles-techniques\/les-minimalistes-quantiques\/","title":{"rendered":"Les minimalistes quantiques"},"content":{"rendered":"\n

Comment un laboratoire de physique extr\u00eamement complexe devient-elle un produit commercialisable ? Tout est dans la r\u00e9duction, explique Robert Staacke, dont la start-up se concentre sur les capteurs quantiques optiques : retirer jusqu’\u00e0 ce qu’il ne reste que l’essentiel. Un minimum de fonctions qui, au lieu de tables optiques surcharg\u00e9es, ne remplissent qu’un bo\u00eetier maniable et peuvent \u00eatre comprises m\u00eame sans avoir \u00e9tudi\u00e9 la physique. Les magn\u00e9tom\u00e8tres industriels de Quantum Technologies sont notamment destin\u00e9s \u00e0 r\u00e9volutionner la technologie des capteurs automobiles. Pour cela, ils sont assist\u00e9s par le distributeur Reichelt Elektronik, qui a \u00e9t\u00e9 convaincu tr\u00e8s t\u00f4t par cette technologie et a conclu un partenariat avec l’entreprise.<\/em><\/p>\n\n\n\n

\"L'\u00e9quipe
\u00c9quipe de Quantum Technologies GmbH, de g. \u00e0 d. : Dr Robert Staacke, Romy M\u00fcller, Dominik Rajsp, Dr Lutz Langguth<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Les t\u00e2ches de mesure dans l’automatisation des usines et des processus, mais aussi dans la technique automobile ou m\u00e9dicale, confrontent sans cesse les capteurs \u00e0 de nouveaux d\u00e9fis. On a ainsi besoin de proc\u00e9d\u00e9s pr\u00e9cis, reproductibles et \u00e9volutifs, qui s’int\u00e8grent de mani\u00e8re avantageuse dans les applications dans des conditions d’utilisation d\u00e9favorables, que ce soit \u00e0 des temp\u00e9ratures \u00e9lev\u00e9es ou basses, dans des champs \u00e9lectromagn\u00e9tiques ou dans des espaces de montage limit\u00e9s. Dans le domaine de la magn\u00e9tom\u00e9trie, la mesure des champs magn\u00e9tiques, l’attention se porte depuis quelques ann\u00e9es sur les capteurs quantiques, qui atteignent une sensibilit\u00e9 et une pr\u00e9cision extraordinaires par rapport aux capteurs de mesure traditionnels. Contrairement aux capteurs \u00e0 effet Hall ou magn\u00e9tor\u00e9sistifs par exemple, ils r\u00e9agissent avec robustesse aux variations de temp\u00e9rature et mesurent sans hyst\u00e9r\u00e9sis. Les interactions physiques quantiques \u00e0 l’\u00e9chelle subatomique, qui peuvent par exemple \u00eatre g\u00e9n\u00e9r\u00e9es et contr\u00f4l\u00e9es dans les cristaux de diamant, constituent la base de cette technologie.<\/p>\n\n\n\n

Avec des diamants et un laser pour la mesure des champs magn\u00e9tiques<\/h2>\n\n\n\n
\"Dr.
Dr. Robert Staacke<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

L’entreprise Quantum Technologies, une entreprise d\u00e9riv\u00e9e de l’universit\u00e9 de Leipzig, travaille d\u00e9j\u00e0 depuis 2020 dans le domaine des magn\u00e9tom\u00e8tres quantiques. Parmi les applications cibl\u00e9es, on trouve par exemple des codeurs angulaires tr\u00e8s sensibles, des capteurs robustes pour la d\u00e9tection de courant ou la surveillance des moteurs \u00e9lectriques. “Ce sont tous des domaines d’application probl\u00e9matiques, m\u00eame pour les capteurs quantiques”, explique Robert Staacke, cofondateur et PDG de Quantum Technologies. “Soit le refroidissement n\u00e9cessaire est un inconv\u00e9nient lors de l’int\u00e9gration des proc\u00e9d\u00e9s de mesure, soit il faut recourir \u00e0 un rayonnement micro-ondes. Mais ce dernier peut g\u00e9n\u00e9rer de la chaleur, et il est souvent difficile de s\u00e9parer galvaniquement le capteur et l’environnement de mesure”. Des obstacles que Staacke et son \u00e9quipe veulent surmonter gr\u00e2ce \u00e0 leurs travaux.<\/p>\n\n\n\n

Alors qu’il \u00e9tait encore doctorant, Staacke avait d\u00e9j\u00e0 men\u00e9 des recherches \u00e0 Leipzig sur les capteurs de champ magn\u00e9tique qui utilisent les effets quantiques. En g\u00e9n\u00e9ral, les scientifiques se concentrent sur les centres de couleur, en particulier les centres azote-lacune (NV), pr\u00e9sents dans les cristaux de diamant. Ils permettent de mesurer optiquement les champs magn\u00e9tiques et leurs variations. Les centres NV se forment lorsque, dans le r\u00e9seau cristallin du diamant, une modification de l’\u00e9l\u00e9ment carbone, l’un des atomes de carbone est remplac\u00e9 par de l’azote, alors qu’il manque un atome de carbone voisin. Cette paire de d\u00e9fauts compos\u00e9e d’un atome d’azote (N) et d’un vide dans le r\u00e9seau (lacune, V, pour “vacancy” en anglais) se caract\u00e9rise par le fait qu’elle poss\u00e8de un spin de un. Les champs magn\u00e9tiques externes influencent les niveaux d’\u00e9nergie des \u00e9tats de spin du centre, ce qui entra\u00eene \u00e0 son tour une modification observable de la fluorescence. La lumi\u00e8re permet de stimuler \u00e9nerg\u00e9tiquement le centre NV. Si l’on surveille la fluorescence qui en r\u00e9sulte, il est possible de d\u00e9duire l’intensit\u00e9 du champ magn\u00e9tique concern\u00e9.<\/p>\n\n\n\n

\"Principe
Principe de mesure des capteurs de champ magn\u00e9tique de Quantum Technologies GmbH<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Les micro-ondes sont bannies du capteur<\/h2>\n\n\n\n

Contrairement aux SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), par exemple, les magn\u00e9tom\u00e8tres \u00e0 basse tension peuvent couvrir d’autres plages de mesure et fonctionner jusqu’\u00e0 la temp\u00e9rature ambiante et au-del\u00e0. Cependant, il est g\u00e9n\u00e9ralement n\u00e9cessaire d’orienter les centres NV dans l’espace en fonction du champ magn\u00e9tique et d’utiliser le rayonnement micro-ondes. Mais bien que les capteurs NV ne n\u00e9cessitent pas d’appareils de refroidissement co\u00fbteux comme ceux utilis\u00e9s pour les SQUID, les micro-ondes requi\u00e8rent \u00e9galement des structures sp\u00e9ciales. Par exemple, des antennes \u00e0 proximit\u00e9 du diamant ou des bo\u00eetiers blind\u00e9s pour augmenter la sensibilit\u00e9 de la mesure. La technologie innovante de Quantum Technologies suit donc une approche qui fonctionne ind\u00e9pendamment de la direction du champ magn\u00e9tique et sans rayonnement micro-ondes : au lieu d’un cristal de diamant \u00e9tendu et homog\u00e8ne, des nanoparticules de diamant sont utilis\u00e9es \u00e0 l’extr\u00e9mit\u00e9 d’une fibre optique. L’orientation statistiquement distribu\u00e9e des particules \u00e9limine la d\u00e9pendance directionnelle in\u00e9vitable dans les cristaux, l’anisotropie, des propri\u00e9t\u00e9s du mat\u00e9riau. La mesure du champ magn\u00e9tique devient alors isotrope.<\/p>\n\n\n\n

\"Diamants
Diamants avec fluorescence rouge caract\u00e9ristique des centres NV<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Cette technologie pr\u00e9sente deux avantages cl\u00e9s. D’une part, les capteurs fonctionnent de mani\u00e8re purement optique. Ils peuvent \u00eatre plac\u00e9s sans probl\u00e8me \u00e0 l’extr\u00e9mit\u00e9 d’une fibre optique, sans mat\u00e9riau conducteur \u00e9lectrique ou magn\u00e9tique. La mesure peut ainsi \u00eatre d\u00e9coupl\u00e9e galvaniquement et ne pas \u00eatre influenc\u00e9e par des sources d’interf\u00e9rences \u00e9lectromagn\u00e9tiques. D’autre part, le dispositif de mesure est tr\u00e8s petit, facile \u00e0 utiliser et peut \u00eatre int\u00e9gr\u00e9 dans des applications difficiles d’acc\u00e8s comme les moteurs \u00e9lectriques.<\/p>\n\n\n\n

Il n’en a n\u00e9anmoins pas toujours \u00e9t\u00e9 ainsi. L’image que l’on peut se faire d’un laboratoire de recherche de centres NV est celle de montages exp\u00e9rimentaux compliqu\u00e9s, d’immenses tables optiques parsem\u00e9es de composants et d’appareils. “Au d\u00e9but”, explique Robert Staacke, “nous \u00e9mettions des doutes : comment pourrait-il en r\u00e9sulter un jour un produit ?” La d\u00e9marche de son \u00e9quipe \u00e9tait quelque peu atypique dans le domaine scientifique, o\u00f9 il s’agit g\u00e9n\u00e9ralement de mesurer avec encore plus de pr\u00e9cision et de complexit\u00e9 pour d\u00e9couvrir un nouvel effet physique. “Nous nous sommes surtout pos\u00e9 la question de savoir comment r\u00e9duire la complexit\u00e9, comment simplifier le syst\u00e8me ? Que pouvons-nous enlever pour que notre produit ait quand m\u00eame un avantage que l’\u00e9tat actuel de la technique n’offre pas ?”<\/p>\n\n\n\n

Le capteur quantique comme \u00e9quipement minimal<\/h2>\n\n\n\n

Staacke d\u00e9crit ainsi la configuration minimale qui en a r\u00e9sult\u00e9 : “Nous avons besoin de nanoparticules de diamant, d’une source de lumi\u00e8re et d’un d\u00e9tecteur. Ensuite, nous \u00e9valuons la fluorescence rouge : c’est tout ce dont nous avons besoin. Ce n’est pas le capteur le plus sensible que l’on puisse r\u00e9aliser avec des centres NV, mais en contrepartie, nous obtenons une s\u00e9paration galvanique. Gr\u00e2ce aux nanoparticules de diamant, nous obtenons une possibilit\u00e9 de mesure isotrope et un point de mesure minuscule, ce qui offre de toutes nouvelles possibilit\u00e9s d’utilisation”.<\/p>\n\n\n\n

La mesure non directionnelle et d\u00e9coupl\u00e9e des interf\u00e9rences ainsi que la faible empreinte du capteur sont des \u00e9l\u00e9ments cl\u00e9s pour les applications que Quantum Technologies souhaite exploiter : par exemple directement dans l’entrefer d’un moteur \u00e9lectrique ou \u00e0 l’int\u00e9rieur d’une batterie de v\u00e9hicule \u00e9lectrique, dans les installations d’\u00e9nergie \u00e0 haute tension, dans la technique m\u00e9dicale invasive et la radiologie, ou pour les contr\u00f4les non destructifs en ligne des mat\u00e9riaux pour l’industrie m\u00e9tallurgique.<\/p>\n\n\n\n

\"D\u00e9monstrateur
D\u00e9monstrateur d’imagerie magn\u00e9tique<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Selon Robert Staacke, il est important dans la pratique de disposer d’un signal de sortie facile \u00e0 interpr\u00e9ter avec la fluorescence rouge d’intensit\u00e9 variable : “Les relations physiques sous-jacentes \u00e0 la mesure sont vraiment compliqu\u00e9es. Mais les changements de luminosit\u00e9 sont tr\u00e8s faciles \u00e0 comprendre pour tout le monde, et ce m\u00eame sans \u00eatre un sp\u00e9cialiste de la physique quantique”.<\/p>\n\n\n\n

\u00c0 cet \u00e9gard, l’utilisation d’un seul point de mesure fait partie des sc\u00e9narios d’application les plus simples. Selon Staacke, les proc\u00e9d\u00e9s de scannage, tels que ceux utilisant un capteur mobile dans la caract\u00e9risation des mat\u00e9riaux, sont \u00e9galement encore relativement faciles \u00e0 mettre en \u0153uvre. Une cam\u00e9ra \u00e0 champ magn\u00e9tique quantique est quant \u00e0 elle un peu plus complexe, mais des d\u00e9monstrateurs ont d\u00e9j\u00e0 \u00e9t\u00e9 mis en place. “Pour cela, nous avons recouvert une grande surface de nanoparticules de diamant, nous les avons stimul\u00e9es au moyen d’une LED, puis avons observ\u00e9 la fluorescence rouge via une cam\u00e9ra CCD”.<\/p>\n\n\n\n

Ouvrir les march\u00e9s, acqu\u00e9rir de l’exp\u00e9rience<\/h2>\n\n\n\n

Des d\u00e9monstrateurs pour la mesure de position et de fr\u00e9quence sur des aimants rotatifs, ou pour la surveillance de moteurs \u00e9lectriques, mais aussi les cam\u00e9ras \u00e0 champ magn\u00e9tique m\u00e9gapixel : tels sont les appareils qui doivent montrer aux futurs clients de Quantum Technologies les avantages pratiques et la diversit\u00e9 des applications potentielles. Afin d’acc\u00e9l\u00e9rer le processus d’entr\u00e9e sur le march\u00e9, l’entreprise a d\u00e9j\u00e0 conclu un partenariat avec Reichelt Elektronik l’ann\u00e9e derni\u00e8re.<\/p>\n\n\n\n

Christian Reinwald y dirige la gestion et le marketing des produits ; il consid\u00e8re cette coop\u00e9ration comme une chance de s’implanter tr\u00e8s t\u00f4t 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 conqu\u00eate de ses march\u00e9s industriels”, commente-t-il \u00e0 propos de cette collaboration. En parall\u00e8le, Reichelt se voit offrir la possibilit\u00e9 d’acqu\u00e9rir une premi\u00e8re exp\u00e9rience dans l’application de la technologie des capteurs quantiques. Cette exp\u00e9rience est particuli\u00e8rement pr\u00e9cieuse, car les connaissances acquises profiteront \u00e0 l’avenir aux clients de la distribution.<\/p>\n\n\n\n

Actuellement, le capteur de champ magn\u00e9tique quantique QT DMFS-C2<\/a> de Quantum Technologies est disponible dans le programme de distribution de Reichelt Elektronik. \u00c9quip\u00e9 d’une fibre optique multimode et con\u00e7u pour des temp\u00e9ratures de fonctionnement de 15 \u00e0 25 \u00b0C et une puissance de stimulation de 5 mW, ce capteur robuste et compact est adapt\u00e9 \u00e0 la mesure enti\u00e8rement optique, galvaniquement isol\u00e9e et isotrope de l’intensit\u00e9 du champ magn\u00e9tique dans la plage de 0 \u00e0 75 mT. Il n\u00e9cessite une source de lumi\u00e8re de stimulation pour la g\u00e9n\u00e9ration et un photod\u00e9tecteur pour l’observation de la fluorescence, mais ne n\u00e9cessite pas de rayonnement micro-ondes. Outre la photodiode, des filtres appropri\u00e9s sont n\u00e9cessaires dans le d\u00e9tecteur pour supprimer la longueur d’onde de stimulation. Ces exigences d’application et d’autres exigences ainsi que les sp\u00e9cifications du capteur quantique sont document\u00e9es en d\u00e9tail chez le distributeur.<\/p>\n\n\n\n

Conclusion : la prochaine \u00e9tape de l’int\u00e9gration des capteurs<\/h2>\n\n\n\n

Du laboratoire de recherche de Leipzig \u00e0 l’application industrielle des capteurs : Robert Staacke et Quantum Technologies ont r\u00e9ussi en quelques ann\u00e9es \u00e0 transf\u00e9rer la physique quantique complexe dans un produit industriel maniable et convivial. Ses capacit\u00e9s de mesure isotrope du champ magn\u00e9tique d’un espace restreint permettront aux ing\u00e9nieurs de d\u00e9veloppement d’int\u00e9grer la technologie des capteurs dans des sc\u00e9narios de mesure enti\u00e8rement nouveaux et dans des applications jusqu’ici inaccessibles dans les domaines de l’automatisation, de l’automobile et de la technique m\u00e9dicale. Le partenariat avec Reichelt Elektronik acc\u00e9l\u00e8re l’introduction sur le march\u00e9 des capteurs quantiques et contribue \u00e0 approfondir les connaissances d’application correspondantes.<\/p>\n\n\n\n

Images : Quantum Technologies<\/p>\n\n\n\n

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