Compter les personnes dans une pièce sombre en écoutant leur respiration se heurte au bruit ambiant : on n'entend pas les inspirations individuelles. Les scientifiques qui travaillent sur les spins quantiques dans les solides sont confrontés à un problème similaire. Chaque spin (le moment magnétique de l'électron) possède sa propre « voix », mais elle est noyée dans le bruit technique des instruments.
Dans cette nouvelle étude, les physiciens ont étudié les centres NV — des défauts du réseau cristallin du diamant où un atome de carbone est remplacé par un atome d'azote, laissant une lacune voisine. Ces centres se comportent comme de minuscules aimants et leur état peut être lu par la lumière. L'astuce clé de l'expérience réside dans la méthode de détection optique de la résonance magnétique (ODMR) avec un contraste supérieur à 20% pour une orientation cristallographique des spins. Ce résultat a été obtenu en combinant une excitation optique sélective en polarisation et une conversion spin-charge. En d'autres termes, le laser a été réglé pour « interroger » uniquement les spins d'une orientation donnée, en ignorant les autres.
Au final, le bruit de projection a été mesuré directement dans des ensembles contenant jusqu'à 43 spins, et le nombre de spins a été littéralement compté à partir des fluctuations du signal. C'est comme si l'on déterminait le nombre de personnes dans une pièce en analysant les infimes variations du bruit de fond plutôt que le volume du chœur. Cette approche promet un gain significatif en sensibilité pour les magnétomètres à base de centres NV — et tout cela à température ambiante, sans cryostats encombrants ni champs magnétiques intenses.
Les centres NV dans le diamant sont si stables qu'ils peuvent conserver une information quantique à température ambiante pendant plus d'une seconde — une éternité à l'échelle du monde quantique.