bande interdite

Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres.

Un cartographe reçoit une feuille avec les distances entre des centaines d'îles anonymes. Aucune île n'est nommée, mais les distances se répètent, s'assemblent en triangles et en quadrilatères. Grâce à ces répétitions, le cartographe reconstitue la carte de l'archipel, sans savoir comment chaque île s'appelle.

L'interrupteur clique, la lumière s'allume. Mais il existe des interrupteurs qui, pour une même pression, peuvent allumer la lampe ou laisser la pièce dans le noir. Ils se souviennent aussi de ce qu'ils ont fait la dernière fois, et parfois ils semblent lancer une pièce pour décider d'allumer ou non.

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Frappez une table, et le son s'éteint rapidement. Les ondes élastiques dans les solides se comportent généralement comme des ronds dans l'eau : elles se propagent depuis la source et s'amortissent. Mais il existe un moyen de les faire rester sur place : créer une « bande plate » dans le spectre des fréquences.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Chaque système — qu'il s'agisse d'un atome ou d'une chaîne de particules — résonne à ses propres fréquences, que les physiciens appellent niveaux d'énergie. Dans les systèmes chaotiques, comme dans un orchestre sans chef, ces fréquences remplissent généralement toute la plage disponible sans lacunes.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque ion est un musicien et les impulsions laser sont les baguettes du chef. Mais si quelqu'un dans la salle fait du bruit, la délicate mélodie des états quantiques se désaccorde.

Une pierre tombe dans un étang – et des cercles se propagent à la surface. Les ondes longues et les ondes courtes se déplacent à la même vitesse : c'est ainsi que se comporte le son ordinaire dans presque tous les milieux. Mais dans les liquides quantiques, tout peut être différent.

Le son se propage dans un milieu à une certaine vitesse. Si le milieu se déplace plus vite, le son est entraîné par le flux, comme un brindille aspirée dans un tourbillon. Dans l'hélium superfluide — un liquide sans frottement — une rotation rapide engendre des vortex en entonnoir.

Une brève impulsion laser frappe une molécule d'iode, et ses atomes se mettent à osciller, comme une bille au bout d'un ressort. Les scientifiques suivent ces oscillations à l'aide d'une seconde impulsion à large bande, qui enregistre le spectre à différents instants.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

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.

Deux points quantiques, c'est comme deux minuscules poches dans un morceau de silicium, où un électron peut se loger telle une bille dans un creux. Lorsque les poches sont éloignées, chaque électron vit sa vie, et son énergie ressemble à celle d'un atome isolé.

Une chaîne d'atomes de phosphore rouge ressemble à un train dont les wagons sont les atomes et les attelages, les liaisons chimiques. Parfois les attelages sont plus solides, parfois plus faibles, et cela détermine la façon dont les électrons circulent dans le train.

Une feuille de carbone d'une épaisseur d'un seul atome est placée dans un champ magnétique intense et refroidie à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Un microscope à micro-ondes glisse le long du bord de la feuille et mesure à quel point ce bord conduit l'électricité.

Les cristaux lamellaires de cuprates ressemblent à une pile de crêpes : chaque crêpe est un plan d'atomes de cuivre et d'oxygène, et entre elles se trouvent des intercalaires d'autres éléments. Habituellement, on étudie la supraconductivité sur toute la pile, où les couches s'influencent mutuellement.

Le son dans une plaque mince se comporte comme des rides sur l'eau : il se propage, se réfléchit sur les bords, change de forme. Mais le son a une particularité : il sait traverser des endroits où l'onde est interdite. C'est comme si les rides d'un étang disparaissaient soudain devant une cloison de pierre et réapparaissaient de l'autre côté, sans la contourner.

La charge électronique est un vagabond qui change de camp selon l'énergie. Dans le cristal de séléniure de tungstène (WSe₂), cela se voit avec une clarté extrême : à une tension de −1,4 V, proche du point K de la zone de Brillouin, les maxima du courant tunnel se trouvent au centre des hexagones, là où il n'y a pas d'atomes.

Au-dessus de l'Antarctique, un ballon-sonde a hissé un instrument qui captait les électrons venus de l'espace. Ces particules proviennent d'explosions d'étoiles lointaines et d'autres événements puissants. L'instrument mesurait leur énergie, comme la force d'un impact. Et voilà que dans une certaine gamme d'énergies, il y a eu plus d'impacts que ce que les calculs prévoyaient.