capteur de champ magnétique

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.

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

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.

Le champ magnétique dans ce dispositif doit être aussi uniforme qu'une vitre : la moindre ondulation brouillerait le signal. Les ingénieurs ont assemblé deux bobines qui compensent mutuellement leur champ à l'extérieur, et les ont enveloppées dans trois couches de plaques ferromagnétiques.

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.

Le courant ionique à travers la membrane ressemble à une file d'attente devant un tourniquet. Parfois le tourniquet est libre — les ions passent rapidement. Parfois il se bloque — le flux diminue. Un champ magnétique faible, comme on l'a découvert, ne pousse pas les ions dans le dos, mais modifie simplement le nombre de tourniquets ouverts.

Un laser ressemble à un diapason qui vibre sur une seule note. Mais même dans un silence total, son son tremble légèrement. On pensait auparavant que ce tremblement – les secousses aléatoires dues à l'émission spontanée de lumière par les atomes à l'intérieur du laser – était la principale limite de précision.

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).

Quand un bâtiment s'effondre, ses armatures d'acier se transforment en une boussole magnétique chaotique. L'entropie — la mesure du désordre — augmente, mais c'est précisément ce désordre qui révèle les cavités où des personnes pourraient se trouver.

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.

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.

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.

Une lampe de poche qui traverse la peau et l'os pour activer délicatement les neurones au bon endroit du cerveau : c'est ainsi que fonctionne la stimulation magnétique transcrânienne. Une bobine posée sur la tête génère de brèves impulsions magnétiques qui déclenchent des signaux électriques dans les cellules.

Dans le silence du laboratoire, un pétale de graphite plane au-dessus d'une grille magnétique. Ce n'est pas seulement une démonstration de la magie du diamagnétisme, c'est une écoute de l'Univers. Comme une araignée qui déploie sa toile pour capter les vibrations du monde invisible, cette feuille est devenue une toile gravitationnelle.

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 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 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.

Les biologistes marquent souvent les cellules avec des molécules fluorescentes — c'est comme chercher une faible lueur dans la fumée. La lueur s'éteint vite, et la fumée crée des interférences.

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 accélérateur de particules, les noyaux se brisent en fragments, comme une tasse en porcelaine qui tombe. Chaque fragment traverse des plaques de silicium qui enregistrent l'impact et sa force. Mais pour distinguer un vrai signal du bruit aléatoire, il faut fixer un seuil : en dessous de ce seuil, les lectures sont considérées comme du bruit.

Des milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques reposent au fond de l'océan. L'Internet y circule, mais ces câbles ressentent aussi les moindres vibrations de l'eau et du sol. En tendant l'oreille à un tel câble, on peut entendre le chant d'un rorqual bleu ou les tremblements de la terre à des milliers de kilomètres.

Un transistor de puissance en carbure de silicium fonctionne sous une tension des milliers de fois supérieure à celle du secteur. Si le champ se répartit de manière inégale à l'intérieur, le composant grille. Auparavant, on ne pouvait pas voir ce champ : il est trop intense pour les capteurs ordinaires, et le composant doit rester sous tension.

Les ondes radio nous entourent, mais notre œil ne les voit pas. Ce nouveau capteur, de la taille d'un ongle, les transforme en une tache colorée sur un petit écran. À l'intérieur de la puce se trouve une couche de cristaux liquides, ceux-là mêmes que l'on trouve dans les écrans de téléphone. Parmi eux sont tissés de fins fils ferromagnétiques.

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.

Une minuscule aiguille glisse au-dessus de la surface, comme un doigt sur une page écrite en braille. C'est ainsi que fonctionne le microscope à effet tunnel : il palpe le relief des atomes et transforme les irrégularités en image. Mais lorsqu'on veut ajouter un champ magnétique, la conception se heurte à un mur.

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.

Un pigeon rentre chez lui après des centaines de kilomètres. Dans sa tête, dans son oreille interne, un liquide clapote — comme l'eau dans une bouteille qu'on secoue. Quand l'oiseau bouge, le liquide bouge aussi, et cela l'aide à garder l'équilibre.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

Une bille magnétique flotte dans le vide au-dessus d'une plaque métallique froide. Ni fils, ni supports — seul le champ invisible du supraconducteur l'empêche de tomber. Si l'on pousse légèrement la bille, elle se met à osciller de haut en bas, et la fréquence de ces oscillations dépend de la force avec laquelle la plaque l'attire.

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.

Entendre un murmure au milieu d'une gare bruyante : c'est un peu le défi des physiciens qui cherchent le moment dipolaire électrique du neutron. C'est un infime déplacement de charge à l'intérieur de la particule.

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.

Le champ magnétique à mesurer ressemble à une mélodie jouée dans une salle bruyante. Le capteur quantique est un microphone capable de capter les notes les plus faibles, mais il n'entend pas que la musique : des bruissements, des grincements, la respiration des voisins. Tout cela se mêle au signal et gâche l'enregistrement.

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 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.

Nous avons l'habitude : le temps ne s'écoule que vers l'avant. Mais les lois quantiques lui permettent de ressembler à une pièce qui montre pile et face en même temps. Prenez une particule avec une rotation propre — son spin. Dans un champ magnétique, elle tourne comme une toupie.