mesure de température à l'échelle nanométrique

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.

Lorsqu'une particule alpha traverse un gaz, elle ne laisse pas derrière elle une trace continue, mais une chaîne d'ionisations distinctes, de minuscules éclairs où des électrons sont arrachés aux atomes. Dans une cellule vivante, ces éclairs endommagent l'ADN, et plus ils sont regroupés en pelote, plus les dégâts sont graves.

Les ordinateurs quantiques font des erreurs. Chaque qubit est comme une bille au bout d'un crayon : si la main tremble un peu, elle tombe. Pour éviter que les billes ne tombent, il faut quelqu'un qui remarque le tremblement et corrige à temps.

La lumière coule comme une rivière invisible. Si l'on place un obstacle sur son passage, l'eau tourbillonne. De même, des surfaces spéciales créent des « tourbillons » de lumière qui piègent les nanoparticules comme des brindilles.

Dans le laboratoire, il y a un piège — un « puits » invisible de champs électriques — où flotte une particule de poussière chargée d'une centaine de nanomètres. Elle oscille d'avant en arrière, comme le balancier d'une horloge.

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.

Une particule d'or de la taille d'une centaine d'atomes est exposée à un faisceau lumineux et s'échauffe. Dans la vie courante, cela n'a rien de grave, mais dans le monde des nanotechnologies, cette chaleur minuscule peut abîmer un biocapteur ou griller une micropuce. Impossible d'y installer un ventilateur : à ces échelles, la chaleur reste piégée, comme dans une grosse doudoune.

Fine comme une bulle de savon, une membrane de nitrure d'aluminium est suspendue au-dessus d'une plaque miroir, avec entre elles une couche d'air d'un micromètre d'épaisseur.

Une foule dans une rue étroite avance lentement parce que les gens se heurtent les uns aux autres. Dans le silicium, la chaleur se propage par des « chocs » similaires : des vibrations des atomes appelées phonons.

La photolithographie classique, utilisée pour fabriquer les puces, atteint ses limites : la lumière ne peut pas dessiner des détails plus petits que sa longueur d'onde. Ici, les chercheurs ont emprunté une autre voie. Ils ont d'abord créé de rares nervures verticales en oxyde, puis ont déposé dessus des couches d'oxyde d'aluminium d'un atome d'épaisseur.

Une aiguille métallique descend sur un morceau de supraconducteur. Tout se passe à l'intérieur d'un réfrigérateur qui refroidit l'échantillon à 30 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — cent fois plus froid que l'espace interstellaire.

Une feuille de papier ordinaire paraît blanche parce qu'elle diffuse tous les rayons de manière chaotique. En revanche, l'aile d'un papillon scintille de bleu et de vert sans une seule goutte de peinture : sa surface est couverte de microsillons qui éteignent certaines ondes lumineuses et en amplifient d'autres.

Une marmite en ébullition : la vapeur monte, l'eau bouillonne, et la température varie d'un point à l'autre. Il en va de même dans l'espace : les nuages de gaz autour des jeunes étoiles ne sont pas des sphères lisses, mais un mélange bouillonnant avec des tourbillons et des variations de densité.

Des particules minuscules, plus petites qu'un centième de l'épaisseur d'un cheveu, peuvent être des aimants qui ne perdent pas leur force même à 600 degrés Celsius. C'est précisément de telles particules que l'on a fabriquées à partir d'un alliage de nickel, de fer et d'aluminium.

Une minuscule particule d'oxyde de vanadium se comporte comme une fenêtre à transparence réglable : dans un état, elle laisse passer la lumière infrarouge, dans l'autre, elle commence à l'absorber.

Une fine pellicule de nitrure de silicium est tendue sur un cadre, comme la peau d'un tambour. Au moindre choc des molécules de gaz, elle tremble. Un faisceau laser, guidé par une fibre de verre, perçoit ce tremblement et le convertit en une valeur de pression. L'ensemble tient dans une poche, et non sur une table optique.

Un fil supraconducteur ultrafin, refroidi à presque zéro absolu, peut détecter une particule de lumière unique. Ces détecteurs sont indispensables en calcul quantique et en communication sécurisée, mais leur caractère est gâché par le désordre – des irrégularités et impuretés aléatoires qu'il…

Un minuscule aimant composé de couches de soufre, de chrome et de brome repose sur la platine d'un microscope. À l'intérieur, tels des invités imprévus, se trouvent des atomes d'erbium, un métal des terres rares. Ces atomes peuvent émettre de la lumière lorsqu'on les éclaire avec un laser, et leur lumière révèle ce qui se passe autour d'eux.

De minuscules particules en forme de fleurs savent faire deux choses à la fois : chauffer et indiquer à quel point elles sont chaudes. Ce n'est pas de la science-fiction, mais le résultat de travaux sur des nanoparticules en ferrite de cobalt, un matériau magnétique qui réagit au champ magnétique.

Le champ magnétique nous entoure partout : de la boussole dans nos téléphones à l'IRM à l'hôpital. Pour le mesurer avec une grande précision, il faut des matériaux spéciaux qui réagissent aux moindres variations du champ.

Le faisceau laser, tel un burin fin, grave l'oxygène hors du film supraconducteur. Là où l'oxygène se fait plus rare, le matériau cesse de conduire le courant sans résistance. Les scientifiques ont utilisé cette technique pour dessiner sur le film des motifs qui en modifient les propriétés.

À l'intérieur d'un spectromètre de sept mètres de haut, semblable à une haute colonne, naissent les fragments d'un neutron désintégré. Pour les attraper, il faut des plaques de silicium de la taille d'une table de salle à manger et de l'épaisseur d'un doigt.

La pointe d'un microscope à effet tunnel plane au-dessus de la surface à une distance inférieure au diamètre d'un atome. D'habitude, elle sonde le relief comme un doigt lit une page en braille. Désormais, cette même pointe a appris à écouter les frémissements d'une membrane de la taille d'un ongle.

Deux pendules reliés par un ressort de lumière se mettent à osciller en rythme, sans même se toucher. Dans le monde quantique, ce synchronisme signifie quelque chose de plus : les particules perdent leur individualité et deviennent un objet unique.

Une plaque d'acier avec un réseau de 8×8 cellules atténue les ondes élastiques dans deux couloirs de fréquences à la fois. Ce n'est pas un coup de chance, mais le résultat d'un calcul selon un nouveau schéma : d'abord un motif grossier pour la basse fréquence, puis un affinage fin dans les pixels libres pour la haute fréquence.