Analyseur de SPEctre basé sur les centres NV du diamant – ASPEN

Le projet ASPEN propose une méthode analogique originale pour effectuer l’analyse spectrale d’un signal hyperfréquence de manière quantitative et instantanée. Elle exploite les propriétés uniques des centres luminescents (dits NV) dans le diamant, dans un système opérationnel compact et fonctionnant à température ambiante. Il répond à la demande en nouveaux composants miniaturisés et de fiabilité accrue pour les chaines hyperfréquences en vue d’applications en gestion du spectre radiofréquence, en guerre électronique, dans le domaine des radars ou à la caractérisation électromagnétique de composants fonctionnant à haute fréquence.
Le centre NV possède en effet des résonances de spin électronique, situées dans le domaine hyperfréquence vers 2.88 GHz, et qui peuvent être détectées optiquement à partir de la fluorescence que ces centres colorés émettent sous excitation optique à la longueur d’onde de 532 nm. L’application d’un champ magnétique permet de lever la dégénérescence des niveaux de spin et se traduit ainsi par un décalage de la fréquence de résonance. Ce principe suscite beaucoup d’engouement de la communauté scientifique en vue de développer des magnétomètres et nano-détecteurs très sensibles.
Dans ce projet nous exploitons un principe réciproque pour lequel un cristal de diamant synthétisé par CVD est soumis à un gradient de champ magnétique et excité par un laser de pompe. Si un signal hyperfréquence de fréquence inconnue est appliqué, il suffit de mesurer la position de la résonance le long de l’axe pour en connaître la fréquence ce qui permet de reconstruire en temps réel le spectre complet d’un signal complexe à partir d’une seule image de la distribution spatiale du signal de fluorescence émis par les centres NV.
Le projet implique trois partenaires. Le coordinateur est un laboratoire de recherche industriel : Thales Research & Technology (TRT). Les deux autres partenaires sont académiques : le Laboratoire Aimé Cotton (LAC) et le Laboratoire des Sciences, Matériaux et Procédés (LSPM). Ces trois partenaires ont établi une collaboration forte depuis plusieurs années au travers de projets de recherche communs sur les centres NV du diamant, ce qui a déjà conduit à de nombreuses publications.
En se basant sur une démonstration de principe déjà effectuée, ils vont collaborer pour réaliser un analyseur de spectre ayant une capacité d’interception du signal proche de 100 % et en optimiser les performances en termes de bande spectrale d’analyse, de résolution spectrale et de sensibilité au signal hyperfréquence. La structure du projet est bâtie sur les axes de recherche nécessaires à l’amélioration de ces performances. Elle est composée de cinq tâches. La première concerne le management du projet (TRT). Outre la gestion du projet, elle aura pour rôle d’assurer la dissémination et la valorisation des résultats. La seconde concerne l’étude des propriétés du centre NV sous fort champ magnétique et le contrôle de la structure hyperfine de la raie de résonance (LAC). La troisième concerne l’élaboration de diamant purifié isotopiquement et dans lequel les centres NV sont orientés (LSPM). Le quatrième concerne le couplage entre le champ hyperfréquence et les centres NV (TRT). La cinquième tâche implique tous les partenaires et a pour objectif l’intégration des éléments développés dans les tâches précédentes pour aboutir à un analyseur de spectre dont les performances attendues sont : bande spectrale d’analyse 2 - 20 GHz, résolution spectrale meilleure que 500 kHz et sensibilité meilleure que 100 µW.

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