détection par centre NV

La vague déferle sur la plage non pas en un front régulier, mais en langues d'écume qui tantôt fusionnent, tantôt se séparent. Les champs magnétiques à l'intérieur des matériaux se comportent de façon semblable : ils respirent en ondes, et jusqu'ici personne ne les avait vus dans leur ensemble.

Une sphère d'aluminium, du diamètre d'un gros globe, se trouve dans le faisceau de neutrons et répond à chaque impact par une note précise. À l'intérieur de la sphère, il n'y a rien d'autre que de l'azote et onze minuscules billes d'acier, chacune de la taille d'une tête d'épingle.

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.

Un métal composé de cinq atomes différents, c'est comme une soupe où flottent des morceaux de carotte, de petits pois, de pomme de terre, d'oignon et de viande. Chaque morceau représente un élément : le chrome, le vanadium, le titane, le niobium et le tantale.

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.

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).

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.

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).

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.

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.

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.

Dans une pièce sombre, une perle de verre de la taille d'un grain de poussière est suspendue dans un faisceau laser. En dessous, deux miroirs : l'un en aluminium, l'autre en argent.

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 minuscule diamant avec un défaut : un atome d'azote voisin d'une lacune dans le cristal. Ce défaut, le centre NV, agit comme une aiguille magnétique : sous une lumière verte, il émet une fluorescence rouge dont l'intensité dépend de l'orientation de son champ magnétique.

Si l'on change non pas la composition mais seulement la disposition des atomes, on peut faire en sorte qu'un même matériau conduise le courant ou absorbe la lumière différemment. C'est exactement ce que les auteurs de l'étude ont fait avec des oxydes de nickel et de cobalt.

Dans un minuscule aimant, l'information n'est pas écrite dans la direction de la flèche, mais dans la façon dont les directions de ses atomes s'alternent. Dans les antiferromagnétiques, ces flèches se compensent mutuellement, si bien que le matériau semble non magnétique de l'extérieur.

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.

À l'intérieur d'une capsule de verre de la taille d'un petit pois, des atomes de rubidium flottent en suspension. Un faisceau laser les amène dans un état particulier — l'état de Rydberg — où l'électron s'éloigne du noyau et l'atome devient extrêmement sensible aux champs extérieurs.

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.

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.

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.

Un aimant de réfrigérateur attire un trombone — on sent ce champ avec les mains. Maintenant, réduisez ce champ d'un facteur un milliard. De tels signaux faibles sont émis par les atomes de notre corps, et ils sont très difficiles à capter. Les scientifiques ont assemblé un capteur à partir de molécules spéciales qui se comportent elles-mêmes comme de minuscules aimants.

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.

Une pincée de poussière de diamant jetée dans un verre de liquide agit comme des centaines de minuscules boussoles magnétiques. Lorsque des molécules avec des électrons non appariés (appelées paramagnétiques) s'approchent, les aiguilles de ces boussoles se mettent à trembler. En analysant ce tremblement, on peut identifier la molécule et sa concentration.

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 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.

Les capteurs de glycémie classiques reposent sur des enzymes — des protéines qui reconnaissent le glucose. Mais les enzymes sont capricieuses : elles se dégradent sous l'effet de la chaleur, de l'humidité et du temps, comme des fleurs coupées qui fanent sans eau.

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.

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.

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.

Un chef d'orchestre dirige un orchestre de milliards de musiciens tout en entendant chacun individuellement. C'est à peu près le défi que relèvent les physiciens lorsqu'ils tentent de faire cohabiter la lumière et les spins des électrons dans un solide.

De minuscules défauts dans un cristal de nitrure de bore fonctionnent comme des capteurs magnétiques ultra-sensibles. Mais leur signal ressemble à une radio dont l'antenne est mal réglée : au lieu d'une note claire, on capte une large gamme de bruit.

Dans une pièce sombre, un minuscule diamant émet une lueur rouge lorsqu'il est éclairé par un laser vert. Cette lumière n'est pas une décoration, mais un signal : sa luminosité change si un champ magnétique est présent. Le diamant contient des défauts — des atomes d'azote avec une lacune voisine.

Une cellule ne se contente pas de reposer sur une surface : elle la tâte, la tire et la pousse. Jusqu'à présent, les instruments ne captaient que les forces directes : à quel point la cellule pousse ou étire son support.

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.

Chaque cellule est un minuscule diapason. Une impulsion magnétique brève la fait « sonner », et l'amortissement de ce son dépend de ce qu'elle contient : viscosité, densité, composition.

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.