Les matériaux fortement corrélés vivent de fluctuations : les spins, les charges et les courants y respirent de façon coordonnée, des échelles atomiques jusqu'aux micromètres. La diffusion des neutrons et des rayons X voit les détails atomiques, mais elle moyenne sur un grand volume et n'atteint pas les mouvements lents, à grande longueur d'onde, là où naissent les phases. Les centres NV du diamant savent déjà écouter le bruit magnétique en un point, et des travaux récents ont appris à mesurer les corrélations entre deux points. Pour autant, il n'existait pas d'image complète dans l'espace des impulsions : des paires de capteurs fixes ne fournissent que de rares échantillons. Ce travail se situe dans le sillage des expériences récentes de lecture parallèle de nombreux centres NV, mais va plus loin en rassemblant d'un coup tout le paysage de corrélations.
On place le matériau étudié sur une plaque de diamant contenant une couche dense de centres NV à 10 nanomètres de la surface. Une caméra grand champ d'une résolution de diffraction de 250 nanomètres enregistre la fluorescence de chaque pixel, et une conversion spin-charge réduit fortement le bruit de lecture. Une séquence XY8 avec découplage dynamique accorde les capteurs sur la fréquence voulue. Pour chaque paire de pixels, on calcule la corrélation de Pearson, puis une transformée de Fourier sur tous les écarts donne la densité spectrale du bruit magnétique dans l'espace des impulsions. Pour regarder au-delà de la limite de diffraction, on utilise un microscope confocal à faisceau laser annulaire : il brûle les centres NV sur un anneau, ne laissant qu'une tache gaussienne de diamètre allant jusqu'à 100 nanomètres, et la taille de cette tache ajuste en douceur le filtre en impulsion.
La méthode a reproduit l'image attendue pour un bruit globalement corrélé : un pic à impulsion nulle, dont la largeur est l'inverse du champ de vision. On l'a ensuite testée sur un réseau de fils parallèles de 1 micromètre de largeur et de 2 micromètres de période. Dans le spectre différentiel sont apparus deux pics nets à une impulsion d'environ 2π×0,5 micromètre inverse, correspondant exactement à la périodicité des fils. Le schéma grand champ distingue avec assurance les échelles spatiales de 0,25 à 4 micromètres, tandis que le mode subdiffractif descend jusqu'à 100 nanomètres. La sensibilité de l'ensemble chute lorsque l'impulsion augmente, mais elle reste compétitive face à un centre NV unique à courte distance.
Contrairement aux travaux voisins, où l'on mesurait les corrélations entre des paires fixes de centres NV ou où l'on construisait des images du champ magnétique, on obtient ici pour la première fois le spectre bidimensionnel complet du bruit magnétique en impulsion et en fréquence. Ce n'est pas simplement un capteur de plus, mais un nouveau type de microscope, qui voit directement les excitations collectives, sans moyenne sur le volume. Le travail ouvre un accès expérimental au facteur de structure dynamique aux basses énergies, là où régnait auparavant une cécité théorique.
Une compression supplémentaire du volume sensible, grâce à la super-résolution et à des états quantiques intriqués, pourrait faire progresser la spectroscopie vers un régime sous les 100 nanomètres. L'intégration à la cryogénie permettra d'étudier les fluctuations supraconductrices et les transitions de phase à basse température. On peut envisager un couplage avec des grilles électriques pour contrôler l'échantillon in situ.
La méthode s'applique directement aux supraconducteurs bidimensionnels, aux matériaux magnétiques et aux systèmes topologiques. Elle fournit aussi un outil pour tester les théories de l'hydrodynamique électronique et du transport hors équilibre.
La prochaine étape consiste à appliquer le dispositif à un véritable matériau fortement corrélé, par exemple un supraconducteur présentant une dynamique de vortex. Il faudra ensuite élargir la plage de fréquences et automatiser le traitement des données.
Pour la physique de la matière condensée, la question des mécanismes microscopiques de dissipation et de brisure de symétrie dans les supraconducteurs reste ouverte. La méthode donne un accès direct aux corrélations du paramètre d'ordre, ce qui pourrait trancher de vieux débats sur le rôle des vortex et des quasi-particules.
Le volume sensible du capteur peut être comprimé jusqu'à 100 nanomètres, soit 2,5 fois moins que la limite de diffraction de la lumière. C'est comme lire le journal par le trou d'une serrure, tout en distinguant les lettres une à une.
L'idée de voir les ondes invisibles de la matière fait écho aux « ondes psi » de Dune, de Frank Herbert, où les navigateurs perçoivent les courants cachés de l'espace.