détection cryogénique

On n'emmenait pas un canari dans la mine pour son chant. L'oiseau tombait de son perchoir avant que le mineur ne remarque le monoxyde de carbone. Dans un vide poussé, le rôle du canari est joué par un nuage de cent mille atomes de lithium ou de rubidium.

La scène est baignée d'une lumière glaciale, et des spectateurs en silicium y sont alignés. Chacun est une matrice de minuscules diodes à avalanche, capables de détecter un photon unique, mais seulement si la température ambiante descend à 165 K.

Un interprète arrive à une réunion où l'on parle une langue qu'il ne connaît pas. Au début, il doit écouter chaque mot, tout noter mot à mot, puis vérifier avec l'original.

Fini le bain glacé, place à une chemise gazeuse chaude. C'est ainsi que l'on refroidit désormais le comparateur cryogénique de courant à l'Institut national de métrologie du Japon. Auparavant, cet appareil, qui compare les courants électriques avec une précision de l'ordre du milliardième, nécessitait une immersion dans l'hélium liquide.

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

Une boule de billard est suspendue en l'air. De petites billes sont tirées sur elle depuis un tube soufflant. Chaque impact est à peine perceptible, mais si la boule est très légère et ne tremble presque pas à cause de la chaleur, on peut distinguer les chocs individuels.

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.

Les ordinateurs quantiques font des erreurs. Chaque qubit est comme une bille au bout d'un crayon : si la main tremble un peu, elle tombe. Pour éviter que les billes ne tombent, il faut quelqu'un qui remarque le tremblement et corrige à temps.

Une poignée de cailloux tombe dans un étang — de chacun partent des ronds. Si les cailloux sont différents, les ronds le seront aussi : certains nets, d'autres plus doux. Mais quand on regarde l'eau de loin et qu'on ne voit qu'une petite partie de l'ondulation, toutes ces différences se brouillent.

Le thé chaud refroidit, la glace fond — la chaleur passe toujours du chaud au froid, et cette loi semblait inébranlable. Mais dans le monde quantique, même les règles familières peuvent être réécrites.

Deux minuscules masses, chacune du poids d'un grain de sable, sont suspendues dans l'obscurité à une température plus froide que l'espace interstellaire. Elles ne se touchent pas, mais entre elles existe un fil invisible : la gravité.

Les technologies quantiques ont un besoin crucial d'un « traducteur » universel entre les langages des micro-ondes et de la lumière. Les qubits supraconducteurs communiquent sur des ondes centimétriques, tandis que les photons dans les fibres optiques utilisent des fréquences optiques.

Un laser, ce n'est pas que de la lumière. Si l'on fait osciller une particule comme un pendule et que ces oscillations s'auto-entretiennent, on obtient un laser phononique. Cela semble compliqué, mais l'idée est simple : au lieu d'ondes lumineuses, l'appareil émet des ondes mécaniques régulières — des phonons.

Un minuscule défaut dans un cristal de nitrure de bore se comporte comme une petite lampe témoin. Lorsqu'on l'éclaire, il émet une lumière dont la teinte dépend de la température : plus il fait chaud, plus elle vire au rouge.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

Un transistor à effet de champ ordinaire ressemble à un robinet avec une poignée très sensible : on tourne un peu, et l'eau coule. Dans les entrailles froides d'un ordinateur quantique, où tout est refroidi presque au zéro absolu, un tel robinet doit s'ouvrir strictement sur commande.

Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.

Les lois quantiques règnent sans partage sur le monde microscopique, mais les objets macroscopiques se comportent généralement de manière classique : l'agitation thermique des atomes noie les effets quantiques.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Quatre minuscules flaques, et dedans barbotent des gouttelettes de superfluide. Ces gouttelettes sont des atomes refroidis à presque zéro absolu et appariés comme de petits aimants. Lorsque l'ensemble tourne, le liquide s'écoule entre les flaques. Il suffit de compter combien de gouttelettes se trouvent dans chacune — et l'angle et la vitesse de rotation deviennent connus.

Si vous frappez un diamant, il répond par un tintement — mais le son vit à l'intérieur même sans coup. Des ondes de compression et de dilatation y courent en permanence, semblables aux rides qu'une pierre laisse sur l'eau. Sauf que ces rides sont les vibrations thermiques des atomes eux-mêmes, et on peut les détecter avec un laser.

Un microphone ultra-sensible tente de capter le murmure d'une galaxie lointaine. Mais le microphone lui-même tremble à cause de la chaleur : ses atomes dansent comme du pop-corn dans une casserole. Les physiciens appellent cette danse le bruit thermique, et il étouffe souvent les signaux faibles.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Il faut observer un flocon de neige sans le laisser fondre ni l'abîmer. C'est à peu près le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui veulent étudier des protéines individuelles, ces minuscules machines moléculaires du vivant.

Le neurone perçoit les signaux électriques à la manière d'un microphone hypersensible qui capterait les moindres vibrations.

Une aiguille métallique descend sur un morceau de supraconducteur. Tout se passe à l'intérieur d'un réfrigérateur qui refroidit l'échantillon à 30 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — cent fois plus froid que l'espace interstellaire.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Un capteur qui cherche des particules rares, c'est un peu comme une oreille qui tenterait de saisir un murmure dans une pièce bruyante. Plus le signal est faible, plus il est difficile de le distinguer du bruit de fond.

Dans une salle bruyante, on ne peut capter un murmure qu'avec un microphone extrêmement sensible qui ne fait lui-même presque aucun bruit.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

Un magnétomètre quantique à base de noyaux d'hydrogène fonctionne comme un casque à réduction de bruit active. Il « écoute » le champ de deux manières différentes en alternance : le bruit est identique dans les deux cas, mais le signal utile diffère.

Dans un laboratoire, on mesure un signal très faible — par exemple, une infime variation du champ magnétique. L'instrument vibre à cause des voitures qui passent, de la respiration de l'expérimentateur, de l'échauffement des fils. Ce bruit technique ne peut pas être éliminé complètement, et il fixe une limite à la précision.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Les matériaux quantiques sont comme des fleurs capricieuses : ils ne s'épanouissent que dans le froid. À température ambiante, ils cachent leurs propriétés inhabituelles, mais lorsqu'ils sont fortement refroidis, ils deviennent supraconducteurs ou changent de comportement magnétique.

Le sismomètre est l'oreille de la planète. Il capte les moindres frémissements du sol et les transforme en signal électrique. Mais cette oreille n'est pas parfaite : sa sensibilité dépend de la température.

Un unique antiproton, piégé et refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme un diapason qu'il faut frapper très précisément pour entendre un son pur. Capter ce « son » directement est presque impossible – le signal est trop faible.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes inaccessibles aux machines classiques, mais leur cœur — les qubits — exige des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.