Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies. Lorsque le champ magnétique externe descend à 400 nanoteslas — soit cent mille fois plus faible que le champ terrestre — les deux niveaux d'énergie de ces toupies se rapprochent presque. Les physiciens appellent ce point une « intersection évitée ». À ce moment, les toupies se mettent à osciller en chœur, et la solution émet un signal rythmique.
Le signal n'est pas seulement net — il est robuste. Les oscillations de l'aimantation se produisent à une fréquence d'environ 2 hertz et ne s'atténuent qu'après 25 secondes. Pour comparaison : un spin nucléaire isolé dans un liquide perd son rythme en 8 secondes. Le secret réside dans le fait que, dans cet état « presque fusionné », les noyaux ne ressentent plus les petites perturbations — comme un chœur qui ne se déroute pas du bruit dans la salle.
Mais le plus intéressant, c'est la foule de noyaux. Lorsque les spins sont nombreux et tous polarisés, leurs propres champs magnétiques commencent à s'influencer mutuellement. Près de l'intersection évitée, cette influence devient mesurable. On obtient ainsi un moyen direct d'observer la dynamique non linéaire des spins — comment les toupies se « bousculent » et modifient le rythme collectif.
Une telle solution est un capteur prêt à l'emploi pour les champs magnétiques ultra-faibles. On peut l'injecter dans un organisme ou dans un réacteur chimique, et elle renseignera sur l'environnement magnétique alentour. Peut-être est-ce ainsi que l'on surveillera à l'avenir l'activité cérébrale ou le déroulement d'une réaction chimique — sans cryostats encombrants ni lasers.
400 nanoteslas — c'est environ 100 000 fois plus faible que le champ magnétique terrestre. Même le champ magnétique de votre cœur est des dizaines de fois plus fort.
Dans le roman « Spin » de Robert Wilson, les champs magnétiques deviennent un outil pour manipuler le temps. Ici, dans l'éprouvette, les noyaux captent aussi des champs ultra-faibles — mais pour l'instant uniquement pour des mesures.