détection par défauts du diamant

La vague déferle sur la plage non pas en un front régulier, mais en langues d'écume qui tantôt fusionnent, tantôt se séparent. Les champs magnétiques à l'intérieur des matériaux se comportent de façon semblable : ils respirent en ondes, et jusqu'ici personne ne les avait vus dans leur ensemble.

Un diamant minuscule, invisible à l'œil nu, repose sur une puce et ressent la chaleur comme aucun thermomètre ordinaire ne le peut. À l'intérieur se cachent deux défauts, des endroits où un atome de carbone est remplacé par un atome d'azote, avec une lacune à côté.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme un microphone sensible qui capte les moindres champs magnétiques. C'est ainsi que fonctionnent les capteurs à centres azote-lacune (lorsqu'un atome d'azote et une lacune voisine forment un système quantique).

Au cœur d'un cristal de diamant parsemé de centres NV sommeille une symphonie. Chaque défaut est comme un diapason, prêt à répondre à une onde acoustique qui passe. Mais isolément, leurs voix sont à peine audibles : le couplage spin-phonon est plus faible qu'un murmure. Il faut un maestro capable de transformer de timides oscillations en un chœur puissant.

Au plus profond de la Terre, le fer est chauffé à blanc, et la pression y est telle qu'un instrument ordinaire serait écrasé comme une crêpe. Pour explorer ce monde, des physiciens ont mis au point un microscope spécial basé sur de minuscules défauts dans le diamant (les centres NV).

Les capteurs magnétiques ordinaires perdent en sensibilité lorsqu'on réduit leur taille. Mais des scientifiques ont transformé un minuscule diamant en boussole lumineuse. Contrairement aux diamants de joaillerie, ce qui compte ici n'est pas la pureté mais des défauts créés artificiellement : ce sont eux qui transforment le cristal en boussole.

Un minuscule diamant avec un défaut : un atome d'azote voisin d'une lacune dans le cristal. Ce défaut, le centre NV, agit comme une aiguille magnétique : sous une lumière verte, il émet une fluorescence rouge dont l'intensité dépend de l'orientation de son champ magnétique.

Le spectre d'une substance, c'est sa carte d'identité. D'habitude, pour l'obtenir, on place l'échantillon dans un champ magnétique intense, comme dans un IRM. Mais il existe un moyen de s'en passer complètement : enregistrer le signal des noyaux atomiques à champ nul.

Les capteurs magnétiques plus petits qu'une tête d'allumette savent déjà détecter des champs faibles, comme ceux émis par le cœur ou une planète lointaine. Mais pour les rendre encore plus sensibles, il faut faire des compromis : si l'on agrandit une pièce, on en perd une autre.

Dans le réseau cristallin du diamant, on trouve parfois des défauts : un atome d'azote prend la place d'un autre, et à côté, un vide subsiste. Ce défaut se transforme en boussole de diamant ultra-sensible — son aiguille magnétique tremble au moindre champ externe.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme une antenne sensible. Lorsqu'un champ magnétique oscille à proximité, ce défaut — une lacune d'azote — répond par une émission de lumière. Auparavant, pour capter le signal, il fallait accumuler de nombreuses mesures répétées, comme si l'on écoutait un murmure en collant l'oreille à une porte.

Une pincée de poussière de diamant jetée dans un verre de liquide agit comme des centaines de minuscules boussoles magnétiques. Lorsque des molécules avec des électrons non appariés (appelées paramagnétiques) s'approchent, les aiguilles de ces boussoles se mettent à trembler. En analysant ce tremblement, on peut identifier la molécule et sa concentration.

Dans une pièce sombre, un chasseur guette un bruissement à peine audible. C'est ainsi que, pendant des années, les physiciens ont tendu l'oreille vers les signaux des particules de matière noire — cette substance invisible qui maintient les galaxies ensemble mais n'émet aucune lumière. Le nouveau détecteur rend cette « ouïe » cent mille fois plus fine.

Un minuscule défaut dans un diamant — telle une oreille microscopique capable de percevoir la « respiration » magnétique du cœur. Ces capteurs fonctionnent à température ambiante et ne sont pas plus gros qu'un grain de sable.

Dans un champ, un réservoir d'eau qui sert normalement à piéger les particules venues de l'espace surveille désormais la quantité d'humidité dans le sol sous nos pieds. L'eau du réservoir agit comme un piège à neutrons — ces particules minuscules qui s'échappent du sol lorsque des rayons cosmiques le frappent.

Dans une chambre à enclumes de diamant, la pression comprime la matière comme si elle était enfouie à des centaines de kilomètres sous la surface de la Terre. À l'intérieur de cette chambre, de minuscules capteurs en diamant — les centres colorés — réagissent aux micro-ondes et révèlent les champs magnétiques et la température environnants.

Une cellule ne se contente pas de reposer sur une surface : elle la tâte, la tire et la pousse. Jusqu'à présent, les instruments ne captaient que les forces directes : à quel point la cellule pousse ou étire son support.

Dans un cristal de diamant, il existe des fissures invisibles : les dislocations. Ce sont des endroits où les rangées d'atomes sont décalées, comme si, dans une pile de feuilles, on avait tiré une feuille à moitié. Autour de ces zones, une contrainte apparaît, et elle influence la façon dont le matériau se brise, se plie ou conduit le courant.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.

On peut glisser un « espion » dans un diamant. Il suffit de remplacer un atome de carbone par de l'azote : on obtient un défaut qui réagit au champ magnétique et émet un signal lumineux.

Une foule de trente et un capteurs quantiques de détection quantique chuchote dans une plaquette de diamant.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, un dispositif où deux diamants compriment un échantillon jusqu'à des centaines de gigapascals, la pression est répartie de manière inégale.