SQUID

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.

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.

L'orchestre joue, mais le chef d'orchestre n'entend qu'un bourdonnement général. Chaque instrument joue sa partition, et impossible de distinguer la flûte de la contrebasse. Il faut un analyseur de spectre — un dispositif qui décompose le son par fréquences.

Un patchwork où chaque pièce est un enregistrement de l'activité d'une petite région du cerveau. Une pièce a été cousue lundi à Londres, une autre mardi à New York, et une troisième il y a un mois à Tokyo. Cette mosaïque ne couvre le cerveau que partiellement, et il n'y a pas de fil commun pour les relier.

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 minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

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.

Un laser ordinaire est un amplificateur de lumière dans lequel des atomes, après avoir reçu de l'énergie, émettent ensemble des ondes de même fréquence.

Un électron dans un champ magnétique, c'est comme une toupie minuscule qui tourne et émet un faible « couinement » à sa fréquence. Entendre ce couinement directement est presque impossible : il se noie dans le bruit.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

Un qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique.

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.

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 capteur de champ magnétique ultra-sensible ordinaire ressemble à une balance qui se met à mentir si on y pose une charge trop lourde. Le signal devient déformé, et il faut ajouter une électronique complexe pour redresser les mesures. Cette électronique génère du bruit et empêche un fonctionnement rapide.

Dans le monde microscopique, il y a toujours du bruit. Même dans le vide absolu, quelque chose tremble, et ces fluctuations quantiques gênent les mesures précises. Mais on peut « comprimer » le bruit, comme un ballon de baudruche : si on le serre sur les côtés, un côté devient plus fin, mais l'autre gonfle.

Un photon, c'est comme une voiture dans un parking à étages, où chaque étage représente sa fréquence (sa couleur). D'habitude, il reste coincé au même niveau, mais des chercheurs ont ajouté un ascenseur : un modulateur programmable qui déplace le photon d'un étage à l'autre sur commande.

Un nanofil ressemble à un câble minuscule : à l'intérieur, un cœur magnétique ; à l'extérieur, une gaine d'aluminium qui peut conduire le courant sans résistance. Mais ils ne cohabitent pas facilement : un champ magnétique puissant détruit la supraconductivité, comme le bruit couvre une mélodie douce.

Dans le récepteur d'un télescope pointé vers la plus ancienne lueur de l'Univers se trouve une minuscule plaque thermomètre. Elle est si sensible que la chaleur d'un seul photon peut la réchauffer sensiblement. Mais pour entendre ce murmure de chaleur, il faut un intermédiaire : un amplificateur qui n'ajoute pas son propre bruit.

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

La matière noire est une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble, mais qui échappe encore à toute observation directe.

La pointe d'une aiguille, que l'on promène sur une surface pour en sonder les irrégularités, s'est dotée d'un « nez » ultra-sensible aux champs magnétiques.

Les mesures précises de la force de gravité sont essentielles pour les géologues comme pour les navigateurs. Mais les gravimètres classiques sont des instruments encombrants qui mettent du temps à « se stabiliser » après chaque mesure.

Un circuit supraconducteur, c'est comme une balançoire sans frottement, possible uniquement à la température de l'hélium liquide (–273 °C). Dans ce froid, le courant électrique circule en boucle sans s'atténuer, conservant son rythme.

La lumière ordinaire tremble toujours un peu : sa luminosité et sa couleur oscillent, comme l'air dans un ballon gonflé après une poussée. Dans la lumière « compressée », ces oscillations sont redistribuées — comme si l'on pressait le ballon d'un côté, le rendant plus mince ici et plus épais là, mais avec un volume total identique.

Le vide est trompeur. William Unruh a montré qu'un observateur en accélération perçoit le vide comme chaud.

Une chaîne d'atomes sur une puce photonique se comporte comme une rangée de pendules accrochés à une barre commune : en oscillant en sens opposés, ils transmettent à peine leur énergie à l'air et restent figés longtemps.

La création de capteurs ultra-sensibles pour la photométrie et la spectroscopie commence par de minuscules cavités où la lumière rebondit comme un écho dans un puits. Auparavant, les ingénieurs recherchaient la qualité – la durée de cet écho : plus il résonne longtemps, plus les moindres variations sont perceptibles.

La théorie de la gravité d'Einstein — la relativité générale — ne rencontre presque jamais la physique quantique dans des expériences directes. Ici, les scientifiques ont construit sur une table un labyrinthe de 50 km de verre et y ont envoyé des photons uniques.