spin nucléaire

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.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs.

Un manège ne se contente pas de vous faire tourner en rond — à chaque tour, il s'enfonce aussi légèrement dans le sol. Ce mouvement, semblable à celui d'un tire-bouchon, est précisément l'essence de la charge NUT, une propriété particulière de l'espace-temps que les physiciens étudient depuis le milieu du siècle dernier.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

Dans un monde emprisonné dans un réseau cristallin et refroidi presque au zéro absolu, la matière sait dissimuler ses plus grands secrets.

En 1905, Einstein a montré que le mouvement chaotique du pollen dans l'eau résulte des impacts de molécules invisibles. Un siècle plus tard, les physiciens ont appris non seulement à observer, mais aussi à contrôler le mouvement à l'échelle quantique.

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.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

Deux cailloux tombent dans l'eau, et les rides à la surface se croisent, mêlant leurs motifs. C'est à peu près ce que font les neutrinos : des particules légères qui nous traversent par milliards chaque seconde. Elles savent se transformer d'un type à un autre, comme un acteur qui change de masque. Cette danse, les physiciens l'appellent oscillation.

Deux étoiles à neutrons tournoient dans une dernière danse. Si leur rotation coïncide avec le mouvement orbital, les partenaires fusionnent proprement, éjectant un fin faisceau de matière incandescente. Si elles tournent en sens inverse, la danse se brise, dispersant un épais voile de débris.

Le noyau atomique lourd du californium-252 peut se briser spontanément en deux gros fragments — cela ressemble à une goutte d'eau qui éclate. Mais à l'intérieur d'une telle goutte, les lois quantiques agissent, et chaque fragment reçoit sa propre rotation — le spin.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

Dans l'orchestre des atomes, chaque instrument a sa propre partition. Mais parfois, deux musiciens commencent à jouer à l'unisson — et le son s'amplifie plusieurs fois. Dans le monde quantique, cette « consonance » est appelée résonance de Feshbach.

Une toupie tourne si vite qu'elle menace de se désintégrer. Ajoutez-lui un aimant surpuissant — si puissant que s'il remplaçait la Lune, il effacerait les données de toutes les cartes de crédit sur Terre. Voilà un magnétar : un reste ultra-dense d'étoile explosée, une concentration de matière où une cuillère à café pèse autant qu'une montagne.

Les minuscules aimants à l'intérieur des atomes — les spins nucléaires — peuvent « se figer » pendant de longues minutes dans un cristal froid. Cela gêne le réglage rapide des capteurs quantiques : tout met trop de temps à atteindre l'état souhaité. Des physiciens ont trouvé un moyen de les stimuler avec de la lumière.

Une rivière coule vers un tourbillon, mais sur son chemin se dresse un barrage percé d'une fente. La majeure partie de l'eau s'accumule devant le barrage, mais une partie, après avoir pris de la hauteur, le survole et tombe directement dans le gouffre.

L'étoile à neutrons est une toupie de la masse du Soleil, compressée à la taille d'une ville. Elle naît dans le feu d'une supernova et, en temps normal, ne fait que ralentir sa rotation. Mais parfois, sans raison apparente, elle accélère soudainement – un à-coup que l'on appelle un glitch.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. À l'intérieur, comme dans un minuscule aimant, il possède sa propre distribution d'aimantation. Jusqu'à présent, il était difficile de l'observer : les noyaux vivent des fractions de seconde à peine, et leur champ magnétique est faible.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

Le noyau atomique n'est pas une boule figée, mais un collectif bouillonnant de protons et de neutrons. Ils tournent, se heurtent et s'organisent en motifs que les physiciens voient comme des « bandes » — des échelles de niveaux d'énergie. Dans les noyaux de niobium et de technétium, on a trouvé quatre de ces échelles, mais la dernière refusait obstinément de rentrer dans les calculs.

Un morceau de combustible nucléaire à l'intérieur d'un réacteur n'est pas qu'un simple solide. Lorsqu'on le chauffe, les atomes d'uranium commencent à « remuer » leurs moments magnétiques, et ce mouvement modifie la conductivité thermique et d'autres propriétés.

Des scientifiques ont observé l'intérieur d'un aimant bidimensionnel composé d'atomes de nickel disposés en triangles, grâce à une méthode inventée par Isidor Isaac Rabi — la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (proche de l'IRM).

Un aimant de frigo tient parce qu'à l'intérieur, les minuscules flèches atomiques sont alignées dans une même direction. Mais la mécanique quantique fait trembler ces flèches, et l'aimantation totale devient inférieure à la valeur idéale.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.

Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies.

À l'intérieur d'une cellule vivante, une minuscule toupie de carbone tourne — une molécule de la taille d'un milliardième de mètre. Une toupie ordinaire tombe vite, mais celle-ci se comporte autrement : elle peut tourner dans les deux sens à la fois, comme une pièce quantique qui resterait éternellement suspendue dans sa chute.

Une foule de trente et un capteurs quantiques de détection quantique chuchote dans une plaquette de diamant.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.

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.