Imaginez des nanodiamants suspendus dans le vide, tournant plus vite qu’un moteur d’avion, tout en révélant la frontière entre la mécanique quantique et la gravité. Dans un laboratoire de l’université de Purdue, des chercheurs ont transformé cette vision en réalité. Leur prouesse, alliant ingénierie de pointe et optique, pourrait bien modifier notre compréhension des lois fondamentales de l’univers. Voici comment ces minuscules joyaux deviennent des instruments de mesure de précision inédits.
Des diamants qui flottent et tournent dans le vide
Dans une chambre à vide, chaque diamant mesure à peine 750 nanomètres de diamètre — soit cent fois plus fin qu’un cheveu humain — et pèse moins qu’un grain de sable. Grâce à un piège à ions en forme d’Ω et à des champs électriques savamment dosés, les chercheurs ont réussi à les suspendre et à contrôler leur rotation. Ces nanodiamants, créés sous haute pression et bombardés par des électrons, renferment des centres à lacunes azote (NV) : des défauts atomiques qui font office de boussole quantique.
Comment lumière et rotation dévoilent le monde quantique
Une laser vert excite les centres NV, provoquant une lueur rouge témoignant de l’état de spin des électrons. Simultanément, un laser infrarouge reflète sur la surface en rotation, mesurant la vitesse — jusqu’à 1,2 milliard de tours par minute (20 MHz) — et la direction du diamant. Les variations de ce signal font apparaître des effets quantiques subtils comme la phase de Berry, preuve que le mouvement influence les qubits intégrés au diamant.
Pourquoi cette avancée compte pour la science et la technologie
En éliminant toute perturbation extérieure dans un vide poussé (< 10⁻⁵ Torr), ces diamants lévitants deviennent des capteurs ultra-sensibles. Ils pourraient révolutionner la fabrication de gyroscopes quantiques ou de détecteurs de champs magnétiques, utiles pour la navigation spatiale (U.S. Air Force) ou l’imagerie médicale. En stabilisant la température interne autour de 350 K, l’équipe de Purdue surmonte les obstacles qui freinaient les expériences antérieures.
Une plateforme pour explorer la gravité quantique
L’un des défis majeurs de la physique moderne est de relier la relativité générale et la mécanique quantique. En observant l’influence du champ gravitationnel sur des spins électroniques en rotation, ces expériences ouvrent la voie à des superpositions quantiques à grande échelle. Elles pourraient un jour trancher la question : la gravité respecte-t-elle les mêmes règles quantiques que la lumière et la matière ?
Construit à la main et optimisé par logiciel
Le piège a été conçu sur une plaquette de saphir, recouverte d’une fine couche d’or de 300 nm. Les étudiants de doctorat, dont Kunhong Shen, ont ajusté par logiciel les électrodes pour guider le diamant et changer le sens de sa rotation, comme on change la direction d’une toupie. Ce dispositif, documenté dans Nature Communications, est le fruit d’une collaboration internationale, alliant créativité et rigueur expérimentale .