Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier. Lorsque le champ magnétique atteint 36 teslas, la pile commence à se comporter comme un récepteur radio accordé sur une fréquence qu'aucun détecteur ordinaire n'entend. Ce n'est pas une métaphore : la physique du processus est exactement celle-là. Un axion, en traversant un champ magnétique, se transforme en photon. La tâche du détecteur est d'entendre ce murmure au milieu du bruit.
L'axion est une particule hypothétique, candidate à la matière noire, cette substance invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa masse, selon les calculs, se situe entre des fractions et plusieurs milliélectronvolts. Un milliélectronvolt représente environ un deux-cent-milliardième de la masse de l'électron. Pour attraper une telle particule, il faut un résonateur accordé précisément sur sa fréquence. Les cavités micro-ondes ordinaires, comme dans l'expérience ADMX, fonctionnent parfaitement, mais seulement jusqu'à des fréquences de quelques gigahertz. À un axion de masse 1 meV correspond une fréquence d'environ 242 GHz, ce qui est déjà le domaine térahertz, où les cavités perdent leur finesse.
C'est ici qu'entre en scène la pile de puits quantiques. Dans un champ magnétique intense, les électrons dans les puits commencent à se déplacer en cercles à la fréquence cyclotron. Cette fréquence dépend du champ magnétique et de la masse effective de l'électron. Si on incline l'échantillon, la composante normale du champ magnétique change, et la fréquence cyclotron se déplace. Ainsi, par une simple rotation de fractions de degré, on peut accorder la fréquence de résonance du détecteur. Le champ axionique, en interagissant avec le champ magnétique via l'effet Primakoff inverse, induit un champ électrique dans le milieu. Au point epsilon-proche-de-zéro, lorsque la permittivité diélectrique est presque nulle, ce champ est amplifié par des dizaines et des centaines de fois. Le signal est émis depuis la surface du résonateur et focalisé sur un photodétecteur à boîtes quantiques, un capteur ultra-sensible de photons uniques.
Les calculs pour trois configurations de référence montrent que le facteur d'amplification du signal atteint 70–390. Avec un temps d'intégration de 300 jours, un balayage large peut atteindre une sensibilité à la constante de couplage axion-photon d'environ 5×10⁻¹⁴ GeV⁻¹ pour des masses de 0.6–5 meV. Cela dépasse les limites actuelles de l'expérience CAST. Une configuration optimiste s'approche de la bande des axions QCD théoriquement privilégiés, les modèles DFSZ et KSVZ. Le même détecteur, sans modification, recherche des photons sombres avec un mélange cinétique χ > 6×10⁻¹⁶ dans la même gamme de masses.
L'avenir de cette approche réside dans la mise à l'échelle. La technologie des semiconducteurs est mature : l'épitaxie par jets moléculaires permet de faire croître des structures avec une mobilité électronique record. Des aimants de 36 teslas existent déjà, et ceux de 50 teslas sont en développement. La prochaine étape est de fabriquer un prototype de structure multicouche de quelques millimètres d'épaisseur et de vérifier la réponse résonante dans un aimant réel. En parallèle, on peut améliorer les photodétecteurs à boîtes quantiques, en réduisant le taux de comptage sombre à quelques microhertz. L'apprentissage automatique aidera à optimiser la conception de structures multicouches avec des milliers de couches pour une amplification maximale du signal.
Le récepteur radio accordé sur le murmure d'un champ invisible est déjà sur le seuil. Son antenne est une pile de couches semiconductrices, son bouton de réglage est une simple inclinaison. Et si l'axion existe vraiment, ce récepteur l'entendra le premier.
La fréquence de résonance du détecteur est accordée par une simple inclinaison de l'échantillon dans le champ magnétique : un changement d'angle de quelques centièmes de degré déplace la résonance d'une largeur de raie, ce qui permet de balayer la masse de l'axion sans aucun élément mécanique mobile à l'intérieur du cryostat.