Dans une casserole d'eau chauffée très soigneusement au-dessus du point d'ébullition, le liquide reste calme. Mais la moindre perturbation le fait exploser en vapeur. Les physiciens appellent cet état métastable : il semble stable, mais en réalité il est prêt à se désintégrer au moindre incident. Dans le monde quantique, de telles situations sont monnaie courante, des minuscules aimants jusqu'à, peut-être, la trame même de l'espace-temps. Observer en direct la désintégration d'un état métastable est incroyablement difficile : en général, tout se passe trop vite et de manière imprévisible.
Dans ces nouveaux travaux, des scientifiques ont trouvé un moyen non seulement d'observer ce processus, mais aussi de le contrôler. Ils ont utilisé un étrange matériau en couches fait de semi-conducteurs — un matériau quantique à moiré (dans lequel les couches d'atomes sont tournées les unes par rapport aux autres, créant un motif à grande échelle, semblable aux reflets de la soie). Dans de telles structures, les électrons se comportent de manière très inhabituelle : ils peuvent spontanément aligner leurs moments magnétiques dans une même direction, transformant le matériau en une sorte d'aimant plat — un ferromagnétique. Le principal avantage de ce système est qu'avec un laser, on peut préparer un état qui n'est pas le plus favorable énergétiquement — le fameux « glaçon surchauffé » métastable.
Les auteurs de l'étude ont éclairé l'échantillon avec un faisceau laser en forme de spirale (un faisceau de Laguerre-Gauss). Ce faisceau, telle une mini-hélice, retournait les moments magnétiques des électrons dans une petite région, créant une « bulle » avec une aimantation opposée à l'intérieur de l'aimant initial. Cette bulle est l'incarnation même de l'état métastable : ses parois tendent à s'effondrer, tandis que son intérieur tend à s'étendre. L'issue de cette lutte dépend de la taille initiale de la bulle, déterminée par la puissance du laser.
Le résultat le plus spectaculaire est apparu lorsque les scientifiques ont appliqué un champ magnétique externe dirigé contre l'aimantation de la bulle. Dans certaines conditions, lorsque le nombre d'électrons dans le matériau correspondait exactement à des nombres fractionnaires ou entiers par motif de moiré, la durée de vie de la bulle était multipliée par cent. À ces moments, le matériau passait dans un état quantique particulier — un isolant topologique de Chern, où les électrons circulent sur les bords sans résistance, tandis que l'intérieur reste non conducteur. C'est cette structure topologique rigide, comme des armatures dans le béton, qui empêchait la bulle magnétique de s'effondrer rapidement.
Revenons maintenant à notre métaphore de l'eau surchauffée. Au lieu de deviner quand elle va enfin bouillir, nous pouvons non seulement créer précisément une bulle de vapeur à l'endroit voulu, mais aussi étirer le moment de l'ébullition sur une longue période, simplement en choisissant la bonne « composition » du liquide. Ces expériences ouvrent la voie au contrôle des états instables dans divers matériaux quantiques et pourraient peut-être aider à mieux comprendre comment notre Univers a pu survivre à l'ère du faux vide dans les premiers instants après le Big Bang.
Les motifs de moiré, qui ont donné leur nom à toute une classe de matériaux, doivent leur nom à la technique de traitement de la soie appelée moiré : si l'on superpose deux couches de tissu fin avec une légère rotation, on obtient un grand motif ondulé. De la même manière, deux couches d'atomes tournées l'une par rapport à l'autre créent pour les électrons un nouveau motif périodique, beaucoup plus grand.
L'idée d'un faux vide capable de se désintégrer soudainement est à la base de nombreux scénarios de science-fiction, de « La Machine à explorer le temps » de H.G. Wells au roman « La Fin de l'Éternité » d'Isaac Asimov, où les héros redoutent un cataclysme capable de remodeler tout l'univers.