Quel est l’objectif du projet Onespin ?
Nous visons à développer la spectroscopie par résonance magnétique à l’échelle d’une molécule individuelle. Notre méthode s’appuie sur des recherches menées par le groupe Quantronique au CEA-Saclay. Elle permet d’atteindre une sensibilité nouvelle qui donne accès à la mesure des spins électroniques d’atomes individuels dans des cristaux.
Comment fonctionne votre dispositif ?
Il s’applique aux spins électroniques, dont le moment magnétique est 1000 fois supérieur à celui des spins nucléaires. C'est une antenne supraconductrice qui dispose d'une zone de 200 à 300 nanomètres de large et un micromètre de long, sur laquelle on dépose un échantillon des molécules à étudier. Cette antenne est comparable à une microbobine, qui force le spin électronique à émettre des photons microondes. Un compteur micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur détecte ces photons. Ce détecteur micro-ondes, le plus sensible jamais conçu, est l’invention d’un collègue, Emmanuel Flurin.
Ces spins électroniques étant couplés par interaction hyperfine aux spins nucléaires à proximité immédiate, l’analyse du signal est un moyen de sonder ces spins nucléaires individuels. Le spectre magnétique fournit des informations spatiales sur les atomes composant la molécule, ce qui permet de les imager.
La résonance magnétique nucléaire standard, qui opère sur un nombre énorme de molécules, n’atteint pas ce niveau de résolution, à cause des inhomogénéités dans les échantillons. Toutes les molécules ne sont pas identiques. Grâce à notre méthode, on acquiert des informations qui, sinon, sont masquées lorsqu’elles sont moyennées.
Est-ce une première ?
Oui. S’il existe d’autres méthodes pour réaliser la spectroscopie de spins individuels, elles ont toutes des limitations. La nôtre a des avantages clairs et objectifs. Elle impose cependant une température de 10 millikelvins. L’étude de la dynamique des molécules à température ambiante est donc inaccessible.
Entrevoyez-vous des applications potentielles ?
Notre démonstration a été effectuée sur un monocristal très particulier, contenant des impuretés - des atomes d’erbium. L’enjeu du projet Onespin est d’essayer de généraliser cette méthode de spectroscopie par résonance magnétique à l’étude de molécules individuelles, telles que des protéines. Cela pourrait avoir un impact en chimie, voire en biologie.
Avez-vous identifié des verrous technologiques ?
Pour réaliser des mesures au niveau moléculaire, on doit encore améliorer la sensibilité d’un à deux ordres de grandeur. La piste que je propose est d’augmenter la fréquence du champ magnétique et aussi de modifier le design de l’antenne micro-ondes, de manière à exalter davantage la relaxation des spins électroniques, pour que les photons soient émis plus rapidement.
Une autre question est de savoir si on réussira à isoler le signal de la molécule d’intérêt dans le signal parasite de molécules voisines dont la fréquence de résonance est proche. Cela a bien fonctionné dans les cristaux.
Envisagez-vous la création d’une start-up deeptech ?
Une deeptech sera créée prochainement sur la thématique du détecteur micro-ondes, dont je serai l’un des cofondateurs avec Emmanuel Flurin. Elle se destinera à la recherche fondamentale. A l'avenir, elle pourrait inclure le sujet de la résonance magnétique à l’échelle moléculaire, si les résultats du projet Onespin sont concluants.
