zéro absolu

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel l'électricité circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le comprime légèrement, comme un ressort, ses propriétés changent. Les scientifiques voulaient depuis longtemps mesurer la quantité de chaleur absorbée par un tel matériau comprimé, mais les instruments ne rentraient pas dans le dispositif exigu.

Un ordinateur classique calcule en faisant circuler des charges électriques dans des fils. Mais peut-on calculer avec la chaleur ? Un réseau de tubes parcourus par de l'eau chaude et froide peut effectuer des opérations logiques simples si l'on connecte les tubes dans le bon ordre.

Jetez un caillou dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. De la même manière, tout corps, même le plus petit, perturbe le champ gravitationnel qui l'entoure. Dans le vide froid de l'espace, ces perturbations, telles des rides sur une surface calme, font que deux objets proches se repoussent toujours.

Un trou noir a trois lois, comme un gaz parfait. La première : l'énergie ne disparaît pas. La deuxième : l'aire de l'horizon des événements ne décroît pas. Et la troisième, la plus capricieuse, exige qu'à température nulle, l'entropie (mesure du désordre) tende vers zéro ou une constante universelle.

Le modèle standard cosmologique ressemble à une recette de gâteau où tout est strictement mesuré : la matière noire est comme de la farine sans grumeaux (pression nulle), et l'énergie noire comme une levure idéale (équation d'état strictement égale à moins un).

Tout a commencé par une étirement. Dans les premières fractions de seconde, l'Univers s'est gonflé — les physiciens appellent cela l'inflation. Puis l'expansion rapide a cédé la place à une phase où l'énergie du champ s'est transformée en particules ordinaires.

La rivière se divise en deux bras. L'un est large et rapide, l'eau y coule en douceur, mais avec l'augmentation de la température, le courant ralentit : des tourbillons et des vagues apparaissent. Le second bras est étroit, avec des rapides, où l'eau saute de pierre en pierre. Ce flux, au contraire, devient plus vif avec la chaleur.

La superfluidité — cet état dans lequel la matière s'écoule sans frottement — est longtemps restée insaisissable dans les condensats de Bose-Einstein d'excitons neutres.

Un trou noir est structuré en couches à l'intérieur, comme un oignon. Dans ce nouveau modèle, au lieu d'un point infini au centre, on trouve trois régions : un noyau dense, une couche de transition et une croûte juste sous l'horizon. Elles émergent toutes d'un seul champ qui interagit avec lui-même.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Le Soleil est un réacteur nucléaire géant qui nous envoie sans cesse lumière et chaleur. Mais il possède aussi une autre messagerie, presque silencieuse : chaque seconde, des dizaines de milliards de neutrinos traversent un centimètre carré de votre paume — des particules fantômes nées dans la fournaise thermonucléaire.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un halo invisible de matière noire — il retient les étoiles aux confins, les empêchant de s'éparpiller. Longtemps, on l'a décrit comme un gaz de particules raréfié, mais une nouvelle étude propose une autre vision : la matière noire pourrait se rassembler en une goutte quantique.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

Un trou noir ordinaire est comme un poêle qui chauffe d'autant plus que sa masse est petite. Un trou noir minuscule devrait s'embraser à des températures inimaginables et s'évaporer instantanément.

Un rayon lumineux glisse le long de l'horizon d'un trou noir — cette frontière invisible d'où rien ne peut s'échapper. Plus le rayon est proche de l'horizon, plus son « temps » propre s'étire lentement — une mesure particulière du chemin, appelée paramètre affine.

Une salle bondée où les danseurs glissent sans le moindre frottement, se traversent les uns les autres sans se toucher. C'est un fluide superfluide. Dans la croûte d'une étoile à neutrons, les neutrons pourraient se comporter ainsi, mais un réseau rigide d'ions les en empêche, comme si la piste de danse était soudain hérissée de piliers rapprochés.

Une casserole d'eau sur la cuisinière finit tôt ou tard par se calmer : la température s'uniformise, le liquide cesse de bouillonner. Les physiciens appellent cela l'équilibre thermique — l'état dans lequel l'énergie est répartie de la manière la plus probable.

Une casserole en aluminium sur la cuisinière fond à 660 degrés Celsius, tout le monde le sait. Mais que se passe-t-il si on chauffe l'aluminium cent fois plus fort ? Le liquide se met à bouillir, et c'est là que le mystère commence : à quelle température exactement ?

Un morceau de métal chauffé à blanc dans un four, c'est comme une poêle sur la cuisinière : plus la chaleur est forte, plus elle se propage vite dans votre main si vous la touchez.

Un système quantique peut posséder une propriété appelée magie. Ce n'est pas un tour de passe-passe, mais une mesure de la difficulté à reproduire son comportement sur un ordinateur classique. Les états ordinaires, dits stabilisateurs, sont faciles à calculer pour un ordinateur. En revanche, les états magiques le laissent perplexe.

La supraconductivité, c'est quand un courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Elle apparaît généralement à très basse température, mais certains matériaux la manifestent à des températures plus élevées.

Dans l'hélium superfluide, un vortex ressemble à une tornade dans une bouteille, mais au lieu d'eau, c'est un liquide quantique qui s'écoule sans frottement. Un tel vortex ne se dissipe pas de lui-même, donc la question de savoir où va son énergie est restée longtemps ouverte.

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

Dans un orchestre où chaque musicien joue la même note, le son se fond en un puissant unisson. C'est ainsi que naît le condensat de Bose-Einstein : une multitude de particules bosoniques, à température extrêmement basse, se comportent comme un tout.

Dans l'hélium refroidi presque au zéro absolu, le liquide cesse de frotter contre lui-même et s'écoule sans la moindre résistance.

Un cristal d'uranium de la taille d'un grain de riz a été refroidi à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu. À cette température, la chaleur n'est pas transportée de manière chaotique, mais strictement selon les règles du monde quantique.

Une chaîne d'atomes chauffée, alignés en ligne, se comporte comme un minuscule trou noir. Cette chaîne est une rangée de particules, chacune ressemblant à un petit aimant. À température ordinaire, les petits aimants se retournent de manière chaotique, mais si on les refroidit, ils s'alignent dans un ordre unique.

Dans une chambre noire où la température n'est que de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, repose un cristal de saphir de la taille d'un grain de riz. Lorsqu'un neutrino – particule fantôme qui ne remarque presque pas la matière – le traverse, le cristal frémit et s'échauffe d'une fraction infime de degré.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

Un liquide qui s'écoule sans frottement, c'est l'hélium-4 superfluide, un étrange état de la matière à des températures inférieures à deux kelvins. En volume, la transition vers la superfluidité se produit à la température du point lambda, mais dans des canaux étroits, tout change.

Les molécules ultra-froides sont un matériau prometteur pour le calcul quantique, mais les rassembler en un réseau soigné, comme des œufs dans une boîte, n'est pas simple. Une méthode a été proposée pour charger une molécule à la fois dans des pinces optiques ou des réseaux, directement à partir d'un gaz.

Un conducteur ordinaire laisse passer le courant aussi bien dans un sens que dans l'autre, comme une porte qui s'ouvre vers l'intérieur comme vers l'extérieur. Une diode, c'est plutôt une porte avec un ferme-porte : elle s'ouvre facilement d'un côté, mais bute de l'autre.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

Aussi fragile qu'un flocon dans une fournaise, l'intrication quantique succombe d'habitude à la moindre chaleur. Près d'un trou noir, où l'espace est tordu par la gravité d'Einstein et où le rayonnement de Hawking réchauffe, toute liaison devrait se briser.

Un photon de rayons X frappe le capteur comme un caillou tombe dans une eau calme. L'eau, c'est un film mince d'aluminium et de manganèse, refroidi presque au zéro absolu. L'impact sur le film fait naître une onde de chaleur, et la hauteur de cette onde permet de savoir combien d'énergie le photon a apporté.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

Un café chaud refroidit en émettant de la lumière invisible. Pour maintenir sa température, il doit recevoir exactement la même quantité de lumière en retour. Cet échange silencieux de photons est ce que nous ressentons comme une chaleur stable.

Le refroidissement met généralement de l'ordre : l'eau se fige en glace. Mais dans le monde quantique, l'ordre prend des formes inattendues. Les expérimentateurs ont refroidi des polaritons — des particules qui sont à la fois lumière et matière — presque jusqu'au zéro absolu.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où les électrons cessent de se bousculer et se mettent à avancer par paires, comme des gens qui marchent main dans la main. Dans le nickelate de néodyme et de strontium (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), ce « défilé » apparaît à environ 10 kelvins (moins 263 degrés Celsius), mais pas de manière uniforme.