Les spectromètres de
Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) miniaturisés transforment un instrument de laboratoire complexe et lourd en une micropuce portable et à faible consommation d'énergie, capable de détecter des espèces chimiques réactives comme les radicaux libres qui sont importants dans le stockage d'énergie, la fiabilité des matériaux, la sécurité environnementale et les processus biomédicaux. En éliminant l'électroaimant volumineux qui limite traditionnellement les instruments RPE aux installations centralisées, cette technologie — parfois appelée «
EPR-on-a-chip » — permet de réaliser des analyses de haute précision directement sur le terrain, sur des sites industriels ou au sein de systèmes de recherche où les outils traditionnels ne peuvent pas être utilisés.
Des performances record pour un système miniaturisé
Le système développé au CEA offre notamment :
- Un mode « rapid scan » offrant une capture spectrale en 200 nanosecondes
- Une vitesse de balayage de 1 400 THz/s sur une fenêtre équivalente à 100 Gauss
- Une couverture spectrale totale équivalente à 450 Gauss
- Une sensibilité de concentration de spin de 120 µM en une seconde d'acquisition
- Une consommation électrique de 96 mW
Au cœur du système se trouve une architecture originale de
détection de phase verrouillée par injection qui encode le signal RPE sous forme de
déphasage plutôt que comme une variation d'amplitude ou de fréquence. En exploitant le bruit de phase intrinsèquement faible des oscillateurs verrouillés par injection, la conception atteint une sensibilité sans précédent pour un système RPE à capteur unique à l'échelle d'une puce.
Ces performances dépassent celles des dispositifs RPE miniaturisés de pointe, qui doivent généralement sacrifier la sensibilité et la plage spectrale pour gagner en vitesse. La combinaison de balayages ultra-rapides et d'une large couverture spectrale permet d'observer des
effets de passage rapide et des phénomènes transitoires dans les réactions chimiques, difficiles (voire impossibles) à capturer avec les systèmes existants.
De nouvelles applications pour la santé, les matériaux et l'environnement
En réduisant la technologie RPE à l'échelle de la puce, le CEA-Leti et le CEA-Irig ouvrent de nouvelles perspectives d'application dans les diagnostics médicaux, la caractérisation des matériaux et la surveillance environnementale. Des capteurs RPE portables et à faible consommation pourraient permettre l'analyse chimique directement sur site, l'intégration de fonctions de surveillance dans des systèmes de recherche et le déploiement de réseaux de capteurs distribués.
Alors que le développement progresse vers un prototype complet, cette technologie représente une avancée importante vers une
spectrométrie de haute précision plus accessible et déployable « en dehors » du laboratoire.
Une étape clé pour l'instrumentation scientifique européenne
Le circuit constitue
le premier instrument scientifique fabriqué au CEA avec la technologie avancée
22 nm FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator). Fabriqué par GlobalFoundries, partenaire industriel international du CEA, l'architecture du système, la conception des circuits et l'approche de mesure ont été entièrement développées et brevetées par le CEA.
Ce travail marque une étape majeure du programme
Moonshot
µ-RPE du CEA, qui vise à développer un spectromètre RPE compact et déployable, et renforce le rôle clé de l'Europe dans la microélectronique avancée appliquée à l'instrumentation scientifique.