centre NV du diamant

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.

Dans une molécule, l'hydrogène ressemble parfois moins à une bille qu'à une onde qui peut traverser une barrière d'énergie, comme un fantôme à travers un mur. Les chimistes appellent cela l'effet tunnel, et il est au cœur de nombreux processus, du fonctionnement des enzymes au transfert de charge dans les matériaux.

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

Un orchestre où chaque musicien est un minuscule capteur magnétique à l'intérieur d'un diamant. Pour jouer juste, ils ont besoin de silence : ni vibrations parasites, ni bruits de fond. Mais lors de la création de tels orchestres — de minces films de diamant avec des défauts d'azote — une dissonance s'immisce dans le matériau.

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).

Un nid d'abeilles fait non pas de cire mais d'atomes, c'est le graphène, un cristal plat d'une épaisseur d'une seule couche. Les électrons y ressemblent à des coureurs à un carrefour : ils accélèrent par endroits, ralentissent ailleurs, mais ne restent jamais bloqués sur le bord.

Créer un nœud de réseau quantique, c'est un peu comme apprendre à un danseur à tenir en équilibre sur un fil de carbone au-dessus d'un gouffre. Une jambe doit se détacher facilement du support, lançant des photons-messagers vers le monde extérieur.

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.

Le diamant est un symbole de perfection, mais sa véritable magie se révèle à travers ses défauts. La pureté idéale du réseau offre transparence et dureté, tandis que les défauts — comme les centres colorés — ouvrent un portail vers le monde quantique, devenant la base des ordinateurs quantiques et de la…

Dans le carbone diamant, comme dans tout cristal, on trouve des défauts — des lacunes ou des atomes étrangers. Lorsqu'ils capturent un électron, ils émettent de la lumière ou s'aimantent, ce qui est précieux pour les dispositifs quantiques.

Des particules magnétiques sont attachées à la surface d'un diamant par des brins d'ADN, comme des marionnettes tenues par des ficelles. Elles dansent sans cesse sous l'effet de l'agitation thermique des molécules du liquide.

Un gaz brûlant se dépose sur un substrat, construisant couche après couche un film transparent. Mais au lieu d'un miroir parfait, la surface se couvre parfois de minuscules bosses — comme des excroissances de glace sur une vitre par grand froid. On essaie généralement de les éliminer, car elles gênent la fabrication de pièces planes.

Dans les dispositifs quantiques à base de diamant, il existe un minuscule défaut : le centre azote-lacune (un atome d'azote plus une lacune à la place d'un atome de carbone). Il fonctionne comme un interrupteur qui bascule spontanément d'un état à l'autre : il peut porter un électron supplémentaire ou non, et selon cela, il émet ou non de la lumière.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit doit jouer dans un silence parfait. Mais lorsque ces orchestres sont nombreux et veulent jouer ensemble, ils ont besoin d'un chef d'orchestre-connecteur fiable.

Dans un cristal de diamant, on trouve parfois des « invités » — des atomes isolés d'autres éléments qui ont pris la place du carbone. L'un de ces invités, un atome d'étain, émet une lumière d'une couleur bien précise lorsqu'on l'irradie avec un laser. Cette couleur change si l'on comprime le diamant. Des physiciens ont calculé exactement de combien.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur, et il ne conduit généralement pas l'électricité. Mais si l'on ajoute quelques atomes étrangers dans son réseau cristallin, il peut devenir un semi-conducteur, comme le silicium dans les puces informatiques.

Dans une cuisine, il y a un seau d'eau et un seau identique rempli de sable. On verse le sable dans l'eau — et on obtient un mélange où le sable est exactement cinq fois plus abondant que l'eau.

L'azote — ce même gaz que nous respirons — se comporte comme un métal capricieux sous une pression d'un million d'atmosphères. Dans une cellule à enclumes de diamant, on le comprime jusqu'à 78–98 gigapascals et on le chauffe au laser jusqu'à 1800–2500 kelvins.

Une toupie lancée sur une surface parfaite tombe au moindre frémissement. De même, un bit quantique créé sur un défaut dans un diamant voit son état détruit par le désordre magnétique des impuretés et par les perturbations externes.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

D'ordinaire, un laser chauffe. Pourtant, dans certains cristaux, la lumière peut emporter la chaleur — comme si une bouilloire refroidissait sous une lampe vive. Dans le diamant, ce sont les défauts qui font ce travail : des endroits où un atome d'azote remplace le carbone, avec une lacune à côté.

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.

Les molécules en solution se comportent comme une foule sur une place : elles peuvent se bousculer en désordre ou s'aligner en rangées régulières. La solution aqueuse de cromoglycate disodique est un modèle bien connu de cristaux liquides chromoniques, où ces « rangées » apparaissent spontanément. Mais si l'on éclaire la solution avec des ultraviolets, l'ordre s'effondre : les molécules commencent à se fragmenter.

Dans un morceau de diamant se cache un minuscule défaut : un atome d'azote voisin d'une lacune. Ce défaut capte les champs magnétiques comme une antenne capte les ondes radio, et répond par des éclairs de lumière.

En 2017, une pierre est tombée du ciel dans le village indien de Mukhundpura. C'était une rare météorite carbonée – un fragment de matière cosmique ancienne qui conserve les traces de la naissance du système solaire. Les habitants ont rapidement ramassé les morceaux, qui ont été envoyés en laboratoire.

Une poussière de diamant, plus petite qu'un centième de millimètre, brille en rouge. À l'intérieur se trouve un défaut du cristal : deux atomes de carbone voisins, où il manque un atome, et à côté se trouve un atome d'azote. Cette paire capture la lumière et la renvoie, comme une balise miniature qui ne s'éteint pas à température ambiante.

Une poussière de diamant en carbone flotte dans le vide sur un faisceau laser. À l'intérieur, un défaut : un atome d'azote voisin d'une lacune. Sous l'action de la spectroscopie par la lumière et les micro-ondes, il se met à tressauter, secouant toute la poussière.

Le vide n'est jamais vraiment immobile. Il grouille de minuscules fluctuations d'énergie, comme l'argile brute d'un sculpteur. Dans une nouvelle expérience, un mince film de matériau supraconducteur a été placé à l'intérieur d'une cavité conçue pour piéger la lumière térahertz, une forme de rayonnement invisible.

Un diamant minuscule, plus petit qu'une poussière, flotte dans un piège magnétique composé de puces. À l'intérieur du cristal, un défaut unique sert de balise. Les scientifiques font en sorte que le diamant se retrouve à deux endroits à la fois, comme la boule d'un magicien qui, sans trucage, se trouve sous deux gobelets à la fois. Ce n'est pas qu'un simple tour.

Chauffez une montre à quartz ordinaire de dix degrés et elle se mettra à dériver de plusieurs secondes par jour. Les horloges atomiques sont plus précises, mais elles occupent toute une armoire. Un diamant avec un minuscule défaut — la lacune d'azote — promet la précision d'une horloge atomique dans le volume d'un grain de sable.

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.

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.

Sur une plaque de diamant de deux millimètres sur deux, tout un orchestre de quarante-neuf violons tient. Chaque corde est accordée sur sa note, c'est-à-dire sur un fragment d'ADN spécifique. Lorsque la mélodie attendue entre dans la salle, la corde répond, et le chef d'orchestre entend un son clair.

Un faisceau de lumière visible pénètre dans un nuage de milliards d'atomes de rubidium refroidis presque au zéro absolu, et en ressort de l'autre côté déjà dans le domaine des télécommunications.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les cordes et les vents jouent dans des langues différentes. Les processeurs supraconducteurs manipulent des photons micro-ondes dans des circuits de quelques centimètres, tandis que les qubits de spin — par exemple les centres azote-lacune — stockent…

Un diapason sonne quand on le frappe. Ses branches oscillent et le son se fait entendre jusqu'à ce que la vibration s'éteigne.

Un minuscule diamant avec des défauts — des atomes d'azote ayant remplacé des atomes de carbone — recèle une particularité étonnante. Autour de chaque défaut tourne un électron supplémentaire, comme une toupie que l'on peut incliner par des impulsions radio.

Dans l'épaisseur du diamant se cachent de minuscules défauts : des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec à côté un vide béant. Ces défauts, tels des phares, peuvent stocker et transmettre de l'information quantique.