magnétométrie par 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.

Le diamant n'est pas qu'une simple parure. Dans son réseau cristallin se cachent des défauts qui détectent le champ magnétique mieux que bien des instruments. L'un de ces défauts, le centre NV, agit comme une minuscule boussole, mais son aiguille oscille à cause de la chaleur et du bruit.

Une lampe ordinaire émet une lumière constante, tandis qu'un phare émet de brefs éclairs. Des scientifiques de Londres ont fait fonctionner un minuscule diamant comme un phare, mais non pas pour la lumière, mais pour les ondes radio. Pour cela, ils ont ajouté un peu d'azote au cristal, puis l'ont éclairé avec un laser vert.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

L'échafaudage magnétique du cristal EuMnSb2 évoque un chantier : les atomes de manganèse forment des poteaux verticaux rigides, et ceux d'europium des traverses mobiles. Jusqu'à présent, aucun consensus n'existait sur l'angle d'inclinaison de ces traverses au repos ni sur leur rotation lorsque le champ magnétique appuie sur l'échafaudage.

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.

Un aimant pesant quelques grains de sable flotte dans les airs sans aucun support. Il ne touche pas les parois, ne frotte sur aucun roulement — il reste suspendu dans un piège magnétique, comme une poussière dans un rayon de soleil.

Un récepteur radio de la taille d'une paume peut mesurer la puissance d'un signal plus précisément que des bancs de laboratoire coûteux. À l'intérieur, pas de bobines ni d'antennes — seulement une tête en verre et un nuage d'atomes de rubidium refroidis à presque zéro absolu.

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.

Compter les personnes dans une pièce sombre en écoutant leur respiration se heurte au bruit ambiant : on n'entend pas les inspirations individuelles. Les scientifiques qui travaillent sur les spins quantiques dans les solides sont confrontés à un problème similaire.

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.

Un ordinateur quantique à atomes neutres ressemble à une bibliothèque où les livres doivent non seulement être lus, mais aussi rapidement remis en rayon. Une lecture lente du résultat, c'est comme un bibliothécaire lent qui retarde toute la file d'attente. Des scientifiques ont trouvé un moyen d'accélérer ce processus en ajoutant des assistants.

Une naine blanche, c'est ce qui reste d'une étoile comme le Soleil après qu'elle a éjecté ses couches externes. Il reste un noyau brûlant de la taille de la Terre, mais avec une masse proche de celle du Soleil. Une cuillère à café de cette matière pèserait comme un camion.

Dans les laboratoires où l'on refroidit des atomes presque jusqu'au zéro absolu, la moindre variation du champ magnétique dérègle tout. Les capteurs habituels — plaques de Hall ou bobines à noyau de ferrite — sont placés à quelques centimètres de la chambre à vide, car ils créent eux-mêmes des perturbations.

Dans un solide, les atomes vibrent et transmettent le son. Parfois, cette onde ne se propage pas en ligne droite mais s'enroule en spirale, comme un tire-bouchon qui s'enfonce dans un bouchon. Dans les cristaux ordinaires, ces « tourbillons sonores » sont connus, mais dans les matériaux magnétiques, on ne les avait jamais vus.

Un minuscule diamant flotte dans l'air, maintenu par un champ électrique, comme un grain de poussière dans un rayon de lumière. À l'intérieur se cachent des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec un vide à côté.

La chaleur à l'intérieur d'une cellule, c'est un peu comme la circulation en ville : certaines rues sont larges et le flux est rapide, d'autres sont des ruelles étroites où tout se bloque. Des scientifiques ont trouvé un moyen de cartographier ces « embouteillages » thermiques sans ouvrir la cellule.

Transformer les gaz légers, comme l'hydrogène et l'azote, en métal est un vieux rêve de physicien. Dans cette nouvelle expérience, l'azote a été comprimé à 130-140 gigapascals (une pression équivalente à 14 millions de kilogrammes sur un ongle) et chauffé à 3000°C.

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.

La balance à ressort dans le sac à dos du géologue réagit à chaque colline et à chaque creux sous ses pieds. Mais le ressort se fatigue et ses lectures dérivent : il faut sans cesse le comparer à une référence.

Dans un diamant, on trouve parfois un défaut : au lieu de deux atomes de carbone voisins, il y a un atome d'azote et un emplacement vide. Ce défaut ressemble à une minuscule antenne qui réagit au champ magnétique. Des scientifiques ont dirigé un laser et des micro-ondes sur un tel diamant, et le défaut s'est mis à éjecter des électrons.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut le faire « briller » grâce à de minuscules défauts dans le diamant : les centres azote-lacune. Chaque défaut agit comme une boussole miniature qui indique l'orientation du champ. Le problème, c'est qu'il y a beaucoup de ces boussoles, et les lire toutes une par une reviendrait à recopier à la main chaque lettre d'un gros livre.

Un diapason émet une seule note, mais à côté, on entend toujours de discrets harmoniques — des fréquences multiples qui se mêlent au son principal.

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 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.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut le faire « briller ». Pour cela, on prend un minuscule diamant avec des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, et où une lacune voisine se trouve dans le réseau.

Une boussole ordinaire se fige lorsqu'un éclair frappe à proximité. La brusque variation du champ magnétique déroute l'aiguille. Un problème similaire gênait les scientifiques pour mesurer le magnétisme des matériaux dans des champs pulsés intenses, ceux qui s'activent en un millième de seconde.

Dans une pièce sombre, un minuscule diamant émet une lueur rouge lorsqu'il est éclairé par un laser vert. Cette lumière n'est pas une décoration, mais un signal : sa luminosité change si un champ magnétique est présent. Le diamant contient des défauts — des atomes d'azote avec une lacune voisine.

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.

Les ordinateurs quantiques exigent une mémoire fiable. Dans un cristal de diamant — carbone — l'information est stockée sous forme de direction de minuscules aiguilles magnétiques (spins) au niveau de défauts particuliers. Lire ces aiguilles avec de la lumière était peu pratique : l'optique est encombrante pour les puces.

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.