magnétométrie de haute précision

Imaginez un orchestre où les violons et les trompettes jouent des partitions différentes, mais créent ensemble une sonorité puissante. Dans le cristal de l'aimant lamellaire Fe5GeTe2 dopé au nickel, ce sont de minuscules régions d'une autre phase qui tiennent le rôle de ces instruments : les nanoprécipités de Fe6GeTe2.

La lumière arrache des électrons au cristal, et ils s'envolent vers le détecteur comme des flèches vers une cible. En suivant leurs trajectoires, les physiciens reconstituent la vie des électrons à l'intérieur du matériau : avec quelle énergie et dans quelle direction ils se déplaçaient.

Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

Une pièce insonorisée où l'on accorde un diapason : le moindre froissement fausse l'accord. Dans le monde des mesures atomiques de haute précision, ce froissement est le champ magnétique.

Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Une corde tendue émet un son plus aigu lorsqu'on la tend davantage. C'est à peu près ce que fait l'aimantation dans un antiferromagnétique : plus le champ externe est fort, plus elle oscille rapidement. Mais dans le cristal d'oxyde de chrome, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu.

Dans un film mince de cobalt et de fer déposé sur un substrat de silicium, un minuscule tourbillon magnétique se forme. Il ne se disperse pas, mais reste en place, comme une goutte d'huile sur une poêle chaude. Mais au lieu de la chaleur, c'est un courant électrique qui le maintient, envoyé à travers un étroit passage large d'une centaine d'atomes.

Les électriciens qui travaillent sur les hautes tensions ressemblent à des plongeurs : ils doivent voir ce qui se passe au fond de l'eau sans y descendre eux-mêmes. Pour cela, il faut un capteur placé à l'écart du courant dangereux et qui transmet l'information vers la surface.

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).

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

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.

Dans une petite boîte de Pétri, une goutte de liquide de la taille d'une tête d'épingle. Un scanner IRM classique ne la verrait même pas : le signal est trop faible. Mais si l'on approche un minuscule capteur de champ magnétique de la goutte, tout change.

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.

Le boson de Higgs est comme un chef d'orchestre qui donne leur masse à toutes les autres particules. Sans lui, les électrons seraient sans masse et les atomes se désintégreraient. Mais comment le chef d'orchestre interagit-il avec lui-même ? C'est la question centrale à laquelle le futur collisionneur de muons devra répondre.

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.

Huit géantes rouges — de vieilles étoiles gonflées, semblables à ce que deviendra notre Soleil — jouent faux. Leur surface oscille régulièrement, comme une cloche, mais dans cette sonnerie on entend des ratés : certains tons disparaissent, le rythme se brise.

Chaque seconde, des milliards de désintégrations se produisent dans nos corps, mais personne ne le remarque. Les physiciens, eux, le remarquent : ils font entrer en collision des particules dans des accélérateurs et observent en quels fragments elles se dispersent. Dans ces fragments se cache la réponse à la question de savoir pourquoi nous existons.

Un aimant, comme l'aiguille d'une boussole, aime pointer dans une direction précise. Mais que se passe-t-il si le matériau est stratifié, comme une pile de crêpes ? Des scientifiques ont pris un tel aimant, composé de chrome, de germanium et de tellure, et ont voulu déterminer à quel point il « résiste » lorsqu'on tente de faire pivoter son aimantation.

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.

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.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut l'entendre. Les atomes de rubidium dans une cellule de verre y réagissent comme des cordes à l'archet : les ondes radio les font osciller entre des états d'énergie.

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.

Le champ magnétique ressemble à l'ombre d'un objet : il change avec la forme de la source. Mais si l'on place une lentille sur le trajet de la lumière, on peut modifier l'ombre.

Dans les laboratoires souterrains où l'on cherche la matière noire ou la double désintégration sans neutrino, les détecteurs sont entourés de silence. Mais même dans ce silence, une poussière radioactive se dépose imperceptiblement sur leurs parois.

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.

Lorsque de la matière s'accumule à la surface d'une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile morte — une explosion se produit, semblable à une gigantesque bombe thermonucléaire. Dans cet enfer, des noyaux d'éléments qui n'existent pas sur Terre naissent en quelques secondes. Pour savoir lesquels, il faut connaître leur masse avec une très grande précision.

Le boson de Higgs vit incroyablement peu de temps — moins d'un milliardième de seconde. Impossible de le capturer directement, c'est pourquoi les physiciens observent ce qui reste après sa désintégration : des jets de particules, des muons, des neutrinos.

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 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.

Une minuscule lamelle de cristal repose sur un substrat, comme une feuille d'automne sur une paume. Son épaisseur est plus fine qu'un cheveu humain, et pourtant des effets quantiques bouillonnent à l'intérieur : supraconductivité, ordre magnétique, liquide de spin quantique.

La résonance magnétique, c'est comme un diapason qui ne vibre que sur sa note. Chaque molécule a sa propre fréquence, et grâce à elle, on peut identifier la molécule et son état. Mais avant, on écoutait ce diapason à travers un mur épais : le signal était flou et on ne pouvait pas distinguer la note exacte.

Deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que leurs couches externes fusionnent en une enveloppe commune. La matière s'écoule de l'une à l'autre, comme l'eau d'une tasse trop pleine déborde dans la tasse voisine.

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.