La température contrôle la vitesse des réactions biochimiques, mais la mesurer en un point précis d'une cellule est resté longtemps impossible : les capteurs étaient soit volumineux, soit imprécis. Les nanodiamants à centres NV promettaient depuis longtemps de résoudre ce problème, mais leur sensibilité se heurtait à un temps de cohérence court et à un signal faible. Dans les archives voisines, on trouve des travaux sur les qubits de diamant, la magnétométrie et les capteurs de champ magnétique pour le cœur, mais c'est précisément la thermométrie sur nanodiamants qui restait à la traîne : les meilleurs échantillons ne donnaient qu'environ 130 mK/√Hz. Ce travail se distingue car il transpose le protocole d'écho thermique, qui ne fonctionnait auparavant que sur du diamant massif, à un nanodiamant unique avec deux centres NV.
Un nanodiamant d'environ 280 nanomètres de diamètre, taillé dans du carbone-12 isotopiquement pur, a été placé sur une puce spéciale équipée d'un chauffage et d'un thermomètre à résistance. À l'intérieur du diamant se trouvaient deux centres NV avec la même orientation, ce qui a doublé le signal photonique sans perte de cohérence. Pour mesurer la température, le protocole d'écho thermique a été utilisé : des impulsions micro-ondes créaient une superposition d'états de spin, et la phase accumulée dépendait de la température via le déplacement de la fréquence de transition. Les fréquences de transition ont été calibrées à l'aide du thermomètre à résistance intégré, donnant un coefficient de -95,7 kHz/K.
Une résolution de 682 microkelvins et une sensibilité expérimentale de 48,2 mK/√Hz ont été atteintes dans des conditions réelles, et à la limite du bruit de grenaille, 9,6 mK/√Hz, soit deux ordres de grandeur de mieux que l'ODMR continu et comparable au diamant massif. Le réchauffement dû au laser de pompe s'est avéré linéaire : 337 mK par milliwatt, et à la puissance maximale de 0,63 mW, la température a augmenté de 224 mK. L'ajout de 10 microlitres d'une solution de FCCP dans du DMSO à 200 microlitres d'eau a provoqué un saut de température de 1,5 K, qui s'est dissipé en 180 secondes.
Ce travail se distingue des autres dans les archives car il transpose pour la première fois le protocole d'écho thermique à un nanodiamant unique avec deux centres NV, plutôt qu'à un ensemble ou à un échantillon massif. Cela offre une localisation nanométrique avec une précision millikelvin, ce qui n'existait pas auparavant. On peut désormais tester les hypothèses sur le chauffage mitochondrial sans artefacts dus aux solvants, et étudier la production de chaleur de particules catalytiques individuelles.
La prochaine étape consistera à introduire ces nanodiamants dans des cellules vivantes et à mesurer la température des mitochondries en temps réel. Une amélioration de la sensibilité est possible grâce à des séquences de découplage dynamique plus longues ou à l'utilisation de nanodiamants avec un plus grand nombre de centres NV. L'intégration avec la microfluidique pour étudier les effets thermiques des réactions chimiques en flux est également prometteuse.
Cette méthode aura un impact sur la biologie cellulaire, où des thermomètres locaux sont nécessaires, et sur la catalyse, où il est important de connaître la température à la surface d'une nanoparticule. Elle pourrait également être utile en microélectronique pour contrôler le chauffage local.
Tester le capteur dans une cellule vivante et comparer avec les modèles théoriques du chauffage mitochondrial. Optimiser le protocole pour des mesures plus rapides.
Ce travail est directement lié à la question non résolue de l'existence de gradients de température intracellulaires induits par l'activité métabolique. La méthode proposée offre pour la première fois une sensibilité suffisante pour vérifier les prédictions des modèles théoriques sans artefacts dus au chauffage externe ou aux solvants.
Un nanodiamant avec deux centres NV offre une sensibilité 30 % meilleure qu'un diamant avec un seul centre, simplement parce qu'il y a deux fois plus de photons et que la cohérence n'en souffre pas.