Le projet e-DIAMANT lauréat EquipEx+
Le diamant, un potentiel technologique pour les applications quantiques
Si le diamant est un gemme bien connu, c’est aussi un cristal dont les propriétés optiques, thermiques, électrochimiques, chimiques et électroniques surpassent de très loin celles des autres matériaux. La combinaison de ces propriétés, chacune avec un niveau exceptionnel de performance, est unique.
Pour que le diamant atteigne son potentiel technologique, notamment pour les applications aux technologies quantiques, ses défauts doivent être contrôlés de façon parfaite. Les défauts à l’échelle atomique du diamant, comme le centre NV qui est l’association d’une impureté d’azote avec une lacune dans la maille du cristal, peuvent aujourd’hui être fabriqués et manipulés à l’échelle du centre unique, comme s’il s’agissait un atome individuel. Le centre NV du diamant peut en particulier être utilisé comme capteur de champ magnétique et apporter des solutions à des besoins sociétaux et économiques pour lesquels il n'existe pas encore d'approche viable.
De nouveaux champs d’investigation
Les premiers dispositifs ont déjà ouvert de nouveaux champs d'investigation dans des domaines très variés :
- Caractériser de nouvelles nanostructures magnétiques développées en spintronique afin d’obtenir des dispositifs de stockage plus petits, plus efficaces et ainsi prendre part à un marché dominé par les entreprises américaines et asiatiques,
- Élucider les structures chimiques en extrayant la résonance magnétique nucléaire (RMN) d'entités moléculaires uniques, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour le développement de médicaments et le diagnostic de maladies,
- Mettre en évidence des phénomènes de supraconductivité à température ambiante, grâce à de nouveaux états de la matière créés en appliquant des pressions allant jusqu'à 6 millions d’atmosphères,
- Effectuer des mesures magnétiques pour contribuer au progrès des sciences de la Terre et des planètes. Le développement de magnétomètres sensibles avec une résolution de l'ordre du nanomètre permet de mieux comprendre l’origine des paléomagnétiques, dans des roches qui datent de la formation de l’Univers.
Développer des capteurs quantiques dotés de nouvelles fonctionnalités de détection
Le projet e-DIAMANT, lauréat de la sélection des EquipEX+, fédérera le savoir-faire et l'expertise complémentaire des partenaires pour créer un ensemble d'outils permettant d'obtenir un matériau diamant ayant un niveau de défauts contrôlé, un design et des dimensions optimisés. Les échantillons qu’il sera possible de fabriquer permettront en particulier de développer des capteurs quantiques dotés de nouvelles fonctionnalités de détection.
Le projet e-DIAMANT part de la croissance de diamant monocristallin par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Il développera ensuite les équipements nécessaires pour créer la chaîne complète qui aboutira au diamant “quantum-grade”.
Cette chaîne s’étend de la fabrication du diamant, à sa mise en forme et sa modification, à l'introduction contrôlée de défauts spécifiques, à l'évaluation de ses propriétés quantiques, jusqu'à son intégration dans des dispositifs de détection. Il fait intervenir un ensemble d’équipements interdépendants qui seront regroupés en 6 nœuds.
Les dispositifs réalisés seront exploités par des utilisateurs qui font partie du consortium et qui pourront répondre à des questions ouvertes en spintronique, en nanomagnétisme et en paléomagnétisme. La durée totale du projet est de 6 ans, avec une première phase de 2 ans consacrée à l'installation de ces équipements et à leur éventuel développement, suivie d'une phase d'exploitation de 4 ans. 75 personnes issues d'un consortium de 10 laboratoires académiques, associés au CNRS et au CEA, et avec THALES comme partenaire industriel, sont impliquées dans le projet.
Un objectif clé est de diffuser les connaissances générées dans le projet vers l’industrie. « En transférant l'expertise académique aux partenaires industriels, nous avons le potentiel de faire de la France un fournisseur mondial de premier plan de diamant de qualité adaptée pour les capteurs quantiques », explique Jean-François Roch, professeur au laboratoire Lumière, matière, interface (Université Paris-Saclay, ENS Paris-Saclay, Centrale-Supelec, CNRS). « Néanmoins, la très forte compétitivité au niveau international et l’étendue des domaines abordés nécessitent plus que jamais de mutualiser nos efforts et de les coordonner. » Cette démarche est déjà à l'œuvre en Allemagne où plusieurs programmes ont été lancés afin de transférer les connaissances académiques vers des applications commerciales.