Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.
Dans un gaz ordinaire, les atomes se déplacent de manière chaotique et leur signal s'estompe en quelques millisecondes. Ici, les atomes d'ytterbium sont immobilisés dans les alvéoles d'un réseau optique, comme des œufs dans un carton. Deux isotopes : l'ytterbium-171 avec un spin de 1/2 et l'ytterbium-173 avec un spin de 5/2. Le spin est un minuscule aimant à l'intérieur de l'atome. Ensemble, ils mesurent le champ magnétique, et la différence de leurs réponses permet de soustraire le bruit commun. On obtient un comagnétomètre : deux capteurs en un.
La principale difficulté est que la lumière qui maintient les atomes perturbe également leurs spins. Le champ lumineux fait légèrement pivoter chaque spin, comme un courant d'eau fait pivoter un petit bateau. Pour éviter cela, la polarisation de la lumière a été rendue strictement linéaire, et pour l'ytterbium-173, on a utilisé un état chat de Schrödinger — une superposition de deux orientations opposées du spin, où les déplacements s'annulent mutuellement. En conséquence, les deux isotopes ont pu être interrogés simultanément avec une grande précision.
Qu'est-ce que cela apporte ? Une suppression du bruit magnétique de plus de 30 000 fois. Le rapport des moments magnétiques nucléaires est mesuré avec une précision de 4 millionièmes. Une telle sensibilité permet de rechercher des interactions ultra-faibles qui ne cadrent pas avec le modèle standard : par exemple, des champs provenant de particules hypothétiques de matière noire.
Désormais, les physiciens disposent d'une plateforme où les états quantiques vivent une minute, et non un instant. C'est un pas vers des capteurs capables de détecter ce qui était auparavant indiscernable au milieu du bruit thermique.
L'ytterbium doit son nom à la mine d'ytterby en Suède, où il a été découvert pour la première fois. D'un kilogramme de minerai, on peut extraire moins d'un milligramme de ce métal.
Dans la série « The Expanse », des capteurs magnétiques ultra-sensibles basés sur des atomes froids aident à détecter des vaisseaux aux moteurs éteints — une technologie similaire fonctionne déjà dans les laboratoires.