Un minuscule anneau supraconducteur, refroidi presque au zéro absolu, pourrait ressentir le contact d'une particule des milliards de fois plus légère qu'un électron. Il s'agit de l'axion — une particule hypothétique qui pourrait constituer la matière noire emplissant l'Univers. Si les axions existent, ils doivent interagir faiblement avec la lumière, et cette interaction peut être convertie en un signal électrique mesurable.
Dans une nouvelle étude, des physiciens ont montré qu'un axion traversant un anneau supraconducteur crée un minuscule flux magnétique. L'anneau comporte un point faible — une fine couche isolante à travers laquelle des paires d'électrons tunnelisent. Cet effet, appelé effet Josephson, est extrêmement sensible au flux magnétique : même un quantum de flux modifie la phase de l'onde quantique de 2π. Le fond d'axions, oscillant dans le temps, fait trembler ce flux, et une tension alternative apparaît en sortie. Cette « boussole quantique » pourrait détecter une interaction axion-photon 10 à 100 fois plus faible que ce que voient les installations actuelles, pour un axion d'environ 10⁻¹⁰ eV.
Une autre expérience proposée utilise un interféromètre de Mach-Zehnder — un dispositif où un faisceau lumineux est divisé en deux chemins puis recombiné. Si un champ magnétique tournant lentement agit sur l'un des chemins, la lumière acquiert une phase géométrique (phase de Berry) qui dépend de la présence éventuelle d'axions à proximité. Cette approche permet de chercher des axions même s'ils ne constituent pas la matière noire, bien que la sensibilité soit encore inférieure. Enfin, dans un système plus complexe de photons et de quasi-particules de type axion dans un isolant topologique magnétique, une phase de Berry térahertz apparaît, mesurable — ce qui constituerait un test de tout le schéma.
Ainsi, les phases quantiques deviennent un nouvel outil pour la chasse à la matière noire. Les circuits supraconducteurs existent déjà dans les laboratoires, et l'interférométrie quantique progresse rapidement. Peut-être que la première rencontre avec un axion n'aura pas lieu dans un détecteur géant, mais dans un petit anneau où la phase de l'onde se déplacera silencieusement d'une fraction insaisissable.
L'axion doit son nom à une marque de lessive, car il était censé « nettoyer » la théorie des interactions fortes d'un problème.
Dans le roman de Greg Egan « Les Entiers sombres », la matière noire s'avère être une structure complexe avec laquelle on peut interagir — la recherche des axions rapproche un peu cette intrigue de la réalité.