caméra thermique

La scène est baignée d'une lumière glaciale, et des spectateurs en silicium y sont alignés. Chacun est une matrice de minuscules diodes à avalanche, capables de détecter un photon unique, mais seulement si la température ambiante descend à 165 K.

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.

Chaque seconde, des milliers d'avions de ligne dans le ciel émettent des signaux radio – c'est ainsi que les contrôleurs aériens voient où se trouve chaque appareil. Ces signaux ne se propagent pas en ligne droite : l'air, selon son humidité, les courbe comme une lentille.

Une lampe ordinaire émet une lumière constante, tandis qu'un phare émet de brefs éclairs. Des scientifiques de Londres ont fait fonctionner un minuscule diamant comme un phare, mais non pas pour la lumière, mais pour les ondes radio. Pour cela, ils ont ajouté un peu d'azote au cristal, puis l'ont éclairé avec un laser vert.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

En cuisine, quand la poêle chauffe, la main sent la chaleur avant même de toucher. Le télescope solaire capte une chaleur invisible similaire, mais provenant de l'étoile, pas de la cuisinière. L'instrument nommé HATS détecte le rayonnement térahertz, qui était auparavant peu étudié en raison de difficultés techniques.

L'orchestre joue, mais les musiciens ne s'entendent pas. Le chef interrompt sans cesse la musique et s'approche de chacun pour accorder son instrument. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les télescopes spatiaux à miroir segmenté.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

Le Soleil est une immense chaudière où la lumière se fraye un chemin à travers une épaisse couche de matière incandescente. Sur le chemin vers la surface, les photons (particules de lumière) heurtent sans cesse les atomes et perdent de l'énergie.

Dans une pièce, l'air touche la peau et nous en ressentons la température. Mais si le corps se mettait soudainement à accélérer de manière colossale, la chaleur surgirait même du vide absolu.

Un radar classique fonctionne comme un photographe amateur : il prend une série de clichés flous et tente d'en assembler une panorama. Les détails sont flous, et dans un long couloir ou une foule, le robot se perd facilement. Le principe est simple : comme une chauve-souris, le radar émet une onde et capte l'écho.

La chaleur nous entoure partout : du pot d'échappement d'une voiture au boîtier d'un ordinateur portable en fonctionnement. Les matériaux thermoélectriques pourraient convertir cette chaleur perdue en électricité.

Les détecteurs de matière noire sont des microphones d'une sensibilité incroyable, capables d'entendre un murmure au milieu du vacarme d'un concert de rock. Ils cherchent les rares secousses provoquées par les particules de matière noire.

Un glaçon dans un thé chaud fond exactement à zéro degré. Mais si la glace est faite de particules subatomiques et que le thé est de la matière nucléaire surchauffée ?

Un télémètre ordinaire envoie une impulsion lumineuse unique et attend son retour, comme une personne qui crie dans le vide et écoute l'écho. Mais si l'on active plusieurs sources qui brillent à l'unisson et que l'on analyse non pas l'intensité, mais le rythme des échos des flashs réfléchis, l'image devient plus nette.

La scène est éclairée par des projecteurs, mais les événements les plus intéressants se déroulent dans l'ombre, là où se cachent des molécules invisibles à l'œil nu. La nouvelle caméra capte la chaleur de ces « invisibles » et la transforme en lumière ordinaire.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

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.

La roche chaude et le sable froid se refroidissent différemment la nuit. Un instrument en orbite autour de Mars mesure cette chaleur, et grâce à elle, on peut savoir de quoi est faite la surface — poussière meuble, croûte dense ou roche. Mais les images thermiques ont une résolution de 100 mètres par point : un stade de football entier tient dans un seul pixel.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Un gaz est presque invisible, mais il a une température, et on peut la lire dans la façon dont il « masque » le fond thermique. Dans l'expérience, une caméra observe un écran chaud à travers un jet de dioxyde de carbone. Si le gaz est plus froid que le fond, il apparaît comme une tache sombre ; s'il est plus chaud, comme une tache claire.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

La lumière que nous ne voyons pas, mais que nous ressentons comme chaleur, s'est révélée être la clé de la vie cellulaire. Un nouveau type de microscope utilise des ondes de 2000 à 2500 nanomètres de longueur — soit trois fois plus longues que la lumière rouge — et ces ondes se dispersent à peine dans les tissus.

Une gouttelette de graisse à l'intérieur d'une cellule vivante ressemble à un flotteur dans une eau agitée. Elle ne se déplace pas en ligne droite, mais par à-coups : parfois elle s'immobilise, parfois elle accélère. Autrefois, on ne pouvait observer ces mouvements que dans un seul plan — comme si l'on regardait le flotteur d'en haut, sans savoir à quelle profondeur il se trouve.

Un capteur de radiation en ville ressemble à un musicien de rue : il doit jouer juste, même quand ses doigts engourdissent par le froid ou que son instrument est chauffé par le soleil.

La radiographie évoque généralement un appareil encombrant à l'hôpital. Pourtant, une telle image peut être obtenue avec un dispositif de la taille d'une paume, assemblé à partir de composants d'électronique amateur. Les auteurs de l'étude ont utilisé un mini-ordinateur Raspberry Pi, une caméra de 12,3 mégapixels et un écran qui s'illumine sous les rayons X.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Un four incandescent dans un atelier ou l'échappement brûlant d'une turbine, ce n'est pas seulement de la chaleur, c'est aussi une lumière invisible à l'œil humain. Les panneaux solaires classiques captent la lumière visible, mais ici il faut un récepteur pour le rayonnement thermique invisible.

Un thermos rempli de xénon liquide, refroidi à moins cent degrés. À l'intérieur, des capteurs sensibles qui détectent de rares signaux de particules de matière noire. Pour faire sortir ces signaux, on utilise généralement des câbles en cuivre.

Un faisceau de rayons X tombe sur un morceau de supraconducteur, et celui-ci s'échauffe à peine. Cet échauffement, de l'ordre du milliardième de degré, est la seule trace laissée par la lumière. Le nouveau détecteur capte précisément cette chaleur, comme un thermomètre sensible posé sur un métal froid.

La lumière d'une étoile n'est pas qu'un simple flux : c'est une onde qui peut osciller dans différentes directions. La lumière ordinaire ressemble à une foule où chacun agite les bras au hasard.

Un pompier muni d'une caméra thermique voit le foyer d'un incendie à travers la fumée. Mais comment voir une source de radiation qui ne sent rien, ne brille pas et ne chauffe pas ? Les caméras gamma résolvent ce problème : elles captent les rayons gamma émis par les substances radioactives et superposent leur « trace » sur une photographie ordinaire.

Une caméra thermique classique ressemble à un thermomètre qui chauffe et refroidit lentement. Elle montre bien où se trouve la chaleur, mais ne suit pas les mouvements rapides. Le nouveau capteur fonctionne autrement : il compte les quanta de chaleur individuels, comme un compteur de gouttes pendant une averse.

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.

Un morceau de matériau brille en bleu. On le chauffe, et la lueur devient verte, comme si quelqu'un avait actionné un feu tricolore. C'est ainsi que fonctionne le nouveau thermomètre luminescent décrit dans l'article. À l'intérieur du matériau se trouvent des ions de terbium, un métal de terre rare qui sait émettre de la lumière.

La lumière est comme un chœur à plusieurs voix : s'y entremêlent la couleur, la direction des oscillations et les variations instantanées. Un appareil photo ordinaire n'entend qu'une seule voix, les autres se perdent. Des chercheurs ont conçu une caméra qui écoute tout le chœur d'un coup — et qui, à partir d'une seule image, comprend ce qui se passe.

Une caméra thermique fonctionne généralement comme un thermomètre à matrice : elle mesure la température de chaque pixel et la transforme en image. Mais cette méthode a ses limites — le bruit propre de l'appareil empêche de voir la chaleur faible.

Dans les nuages froids et ténus de l'espace, les particules se rencontrent rarement, mais parfois un ion et une molécule neutre passent assez près l'un de l'autre pour s'agglutiner. Ce faisant, ils émettent de la lumière – comme un éclair étouffé qui emporte l'excès d'énergie.