Les capteurs de champ magnétique les plus sensibles jamais construits posent un sérieux problème logistique. Les dispositifs supraconducteurs à interférences quantiques (SQUID) ne fonctionnent qu’au voisinage du zéro absolu et nécessitent une cryogénie élaborée. Les magnétomètres atomiques de type SERF (spin-exchange relaxation-free, sans relaxation par échange de spin) exigent un blindage quasi parfait contre les interférences magnétiques externes. Ces deux contraintes éloignent le capteur de ce qu’il cherche à mesurer, ce qui est une mauvaise nouvelle pour quiconque espère détecter les faibles signaux magnétiques du cerveau humain.
Une équipe dirigée par Wei Ji de l’université de Pékin, travaillant avec Dmitry Budker et ses collègues de Mayence et de Berkeley, a maintenant démontré un type de magnétomètre différent : un minuscule aimant qui flotte dans une chambre à vide de la taille d’une boîte Tupperware et mesure des champs magnétiques à l’échelle du femtotesla, dix milliards de fois plus faibles que le champ magnétique terrestre. Les travaux paraissent dans Science.
L’aimant capteur mesure moins d’un millimètre de diamètre : un disque d’environ 410 micromètres de rayon et 380 micromètres d’épaisseur, maintenu en l’air par l’équilibre de deux forces. Une pile de 80 aimants en forme de disque placée au-dessus le tire vers le haut contre la gravité, tandis qu’une plaque de graphite pyrolytique placée en dessous, un matériau diamagnétique qui génère son propre champ opposé, le pousse vers le haut et le stabilise. Un laser se réfléchit sur la surface polie de l’aimant en lévitation vers un détecteur sensible à la position, si bien que toute inclinaison provoquée par un champ externe est lue optiquement.
Parce que l’aimant n’a aucun contact mécanique avec quoi que ce soit, il est isolé du bruit vibratoire qui afflige les instruments ordinaires. Parce qu’il est ferromagnétique, ses spins sont intrinsèquement alignés à température ambiante, avec une densité de spin d’environ 10^22 quanta de spin par centimètre cube, soit environ sept ordres de grandeur de plus que la vapeur de rubidium utilisée dans les magnétomètres atomiques. Cela supprime considérablement le bruit de projection de spin qui limite les autres conceptions. L’amortissement de Gilbert, le mécanisme par lequel un ferromagnétique relaxe les perturbations de son aimantation, moyenne les fluctuations individuelles de spin en quelques nanosecondes, si bien que le capteur mesure en pratique un signal collectif propre.
Les détails techniques révèlent à quel point le régime du femtotesla est exigeant. L’équipe a remplacé la chambre à vide en aluminium par une chambre en verre, car les courants de Foucault générés dans le métal produisaient un bruit de Johnson qui contaminait la mesure. Les chercheurs ont broyé le stabilisateur en graphite pyrolytique en poudre et l’ont lié avec de l’époxy, confinant les courants de Foucault à de petites boucles plutôt qu’à de grandes et réduisant considérablement la dissipation. Le mode de torsion de l’aimant en lévitation résonne à environ 305 hertz avec un facteur de qualité proche de 12 000, une oscillation remarquablement peu dissipative.
Le résultat est une sensibilité de 32 femtoteslas par racine carrée de hertz à la résonance, à température ambiante et en présence du champ terrestre, tolérant des champs résiduels allant jusqu’à la gamme du millitesla. Cela égale les performances des SQUID et des magnétomètres SERF tout en s’affranchissant de leurs exigences. La fréquence de résonance peut également être accordée dynamiquement en ajustant le champ de lévitation, ce qui permet un fonctionnement en boucle fermée sur une gamme de fréquences plus large.
La motivation est en partie biomédicale. Les signaux magnétiques de l’activité électrique du cerveau sont extraordinairement faibles, et plus un capteur peut s’approcher du cuir chevelu, plus le signal qu’il perçoit est fort. La conception en lévitation réduit la distance entre l’échantillon et le capteur à quelques centaines de micromètres, soit un ordre de grandeur plus proche que ce que permettent les systèmes cryogéniques. La même physique s’applique aux signaux cardiaques et à la physique fondamentale : le groupe s’intéresse depuis longtemps à l’utilisation de magnétomètres de précision pour rechercher des candidats à la matière noire et des forces exotiques dépendant du spin, et un ferromagnétique en lévitation constitue une plateforme exceptionnellement propre pour ces recherches.
Il y a des réserves. La sensibilité au niveau du femtotesla n’est atteinte qu’à la résonance de torsion ; la sensibilité large bande en dehors de celle-ci est bien plus modeste, de l’ordre de 200 picoteslas par racine carrée de hertz aux fréquences plus élevées. Le budget de bruit est dominé par le bruit de Johnson des matériaux conducteurs environnants, si bien que la conception de la chambre et du stabilisateur compte autant que la physique. À l’échelle du femtotesla, note le groupe, même une fine feuille d’aluminium introduit 100 femtoteslas de bruit. Et si le magnétomètre rivalise avec les technologies établies en matière de sensibilité, il n’a pas encore été démontré sur un cerveau vivant.
Le fonctionnement par résonance détermine aussi ce que le capteur peut et ne peut pas faire. Le magnétomètre est le plus sensible au voisinage de sa résonance de torsion, environ 305 hertz, une bande étroite ; les signaux cérébraux, cependant, couvrent un large spectre, dont une grande partie se situe aux fréquences plus basses. L’équipe a démontré que la résonance peut être déplacée d’environ 260 à 318 hertz en ajustant le champ de lévitation, ce qui pointe vers un mode en boucle fermée qui suit un signal au fil de sa dérive. Savoir si l’approche peut être étendue au régime large bande basse fréquence où vivent la plupart des signaux biomagnétiques est une question ouverte essentielle, et la réponse déterminera la vitesse à laquelle le dispositif passera de la démonstration physique à l’instrument biomédical.
Malgré tout, la combinaison du fonctionnement à température ambiante, de la tolérance au champ terrestre et de l’extrême proximité avec l’échantillon fait de cette approche une voie exceptionnellement pratique vers la magnétométrie portable ou au chevet du patient. Les prochaines étapes consistent à élargir la bande passante et à réaliser une véritable mesure biologique. Si elles aboutissent, l’aiguille de boussole en lévitation pourrait offrir aux neurosciences une nouvelle fenêtre sur la vie électrique du cerveau, sans un seul litre d’hélium liquide.
Traduit par Lydie
Sources: Ji, W., Xu, C., Qu, G. & Budker, D. Levitated sensor for magnetometry in ambient environment. Science 393, 607-610 (2026). DOI: 10.1126/science.adx1707. Preprint: arXiv:2504.21524. Nature News, August 6, 2026.