Imaginez un manège où, au lieu d'enfants, ce sont de minuscules aiguilles magnétiques qui prennent place dans de la poussière de diamant. D'habitude, ces aiguilles pointent dans toutes les directions et leur signal se perd dans le bruit. Mais si l'on incline le manège selon un angle particulier tout en l'éclairant avec un laser vert, les aiguilles commencent à s'aligner dans une même direction. C'est exactement ce que des physiciens ont fait avec des particules de diamant, en les faisant tourner sous un angle de 54,74° par rapport au champ magnétique.
Le secret réside dans des défauts du diamant appelés centres NV. Ce sont des endroits où un atome d'azote est voisin d'une lacune dans le réseau cristallin. Sous l'effet de la lumière, un tel défaut se polarise, c'est-à-dire que son électron passe dans un état où son spin a une direction déterminée. Ensuite, cette polarisation est transmise aux noyaux de carbone-13 voisins. Auparavant, ce transfert nécessitait des impulsions micro-ondes, difficiles à générer et à contrôler. Désormais, la rotation de l'échantillon remplace les micro-ondes.
Dans l'expérience, deux types de particules de diamant ont été utilisés : des particules submicroniques avec 20% de carbone-13 et des particules micrométriques commerciales avec une teneur naturelle de 1,1%. Elles ont été placées dans le rotor d'un spectromètre RMN, tournant à des fréquences allant jusqu'à 6 kHz, et éclairées par un laser de longueur d'onde 532 nm. L'amplification maximale du signal a atteint 411 fois pour l'échantillon naturel à une fréquence de 1 kHz. Pour l'échantillon enrichi, l'amplification a été de 280 fois à 2 kHz. La polarisation stationnaire a atteint 0,23% et 0,12% respectivement, soit presque un ordre de grandeur de plus que les résultats précédents pour les micro- et nanodiamants.
La dépendance de l'amplification en fonction de la fréquence de rotation s'est révélée résonante : le signal augmente d'abord, atteint un maximum, puis diminue. Cela s'explique par le fait qu'à une rotation trop rapide, les centres NV n'ont pas le temps de transmettre la polarisation aux noyaux. Le modèle à trois spins (centre NV, azote isolé P1 et noyau de carbone-13) a reproduit la situation observée. Il a montré que les croisements de niveaux apparaissent précisément à cause de la rotation, et non à cause d'une variation du champ magnétique.
Maintenant que la poussière de diamant a appris à accumuler la polarisation nucléaire sans micro-ondes, la voie est ouverte vers une RMN ultra-sensible à température ambiante. L'objectif proche est de transférer la polarisation du carbone-13 à l'intérieur du diamant vers des noyaux externes, par exemple des protons à la surface. Les estimations indiquent que des particules de moins de 30 nanomètres seraient nécessaires. Ainsi, le manège pourrait non seulement aligner ses propres aiguilles, mais aussi transmettre cet ordre aux molécules voisines.
L'angle de 54,74° entre l'axe de rotation et le champ magnétique est appelé magique car il annule les interactions dipôle-dipôle entre les noyaux. C'est cet angle qui a fait que plus de 99,9 % des centres NV traversent les points de croisement de niveaux deux fois par tour du rotor.