état lié

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.

Dans l'atelier de la nature, il existe une étrange machine : elle taille des filetages sur des vis, mais interdit le pas à gauche. On peut visser une vis aussi fort qu'on veut, dans le sens horaire, mais pas dans le sens antihoraire.

Des danseurs sur une scène aux murs mobiles : des particules dans un système quantique fini entrent en collision les unes avec les autres et rebondissent sur les bords, mais les murs peuvent se déplacer selon un scénario donné. Les physiciens ont longtemps su décrire de telles danses uniquement avec des murs fixes ou dans une salle infinie.

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.

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

L'eau qui bout dans une casserole — voilà par où commencer. Les bulles de vapeur remontent, éclatent, et la surface se calme. C'est à peu près ainsi qu'au tout début de la vie de l'Univers, un champ particulier remplissant l'espace a pu se comporter : des bulles de nouvelle phase s'y gonflaient et entraient en collision — comme des îlots de vapeur dans un…

Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs.

L'intrication quantique — un phénomène où les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare — lie généralement des propriétés internes comme le spin ou la polarisation.

On peut enfermer la lumière ou le son dans une zone minuscule d'un cristal, comme une perle dans sa coquille. Habituellement, on utilise deux méthodes. La première ressemble à une boule lourde dans un creux : une particule de grande masse ne peut tout simplement pas en sortir. La seconde est une cage idéale faite de miroirs, où les ondes s'annulent partout sauf dans le piège.

Sur un drap tendu court un pli solitaire — une dénivellation abrupte qui ne s'étale pas, mais se déplace comme un tout. Les physiciens appellent ce pli un « kink ». Si l'on tire brusquement sur le drap en un point, une ondulation se propage. Mais dans certains milieux, cette ondulation ne se disperse pas : elle se rassemble en une masse qui tremble sur place pendant des dizaines, voire des centaines de cycles.

En montagne, il existe un col : un point où le sentier bascule d'une vallée à l'autre. En se plaçant exactement dessus, on fait un pas et l'on descend déjà sur le versant opposé. En chimie, cet endroit s'appelle l'état de transition : un instant fugace où les atomes se figent sur le seuil de la transformation.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

Un enfant sur une balançoire : une poussée trop forte, et il s'envole. C'est à peu près ainsi que la lumière intense arrache les électrons des atomes. On pourrait croire que plus la poussée est forte, plus la destruction est certaine. Mais dans le monde quantique, tout est différent : lorsque la force du champ franchit un certain seuil, l'atome se fige soudainement.

Un aimant ordinaire garde toujours ses deux pôles — nord et sud. Coupez-le en deux, et chaque morceau s'empresse de se doter de sa propre paire. Mais au plus profond de la théorie des particules se cache une image étrange : le monopôle — une particule portant une seule charge magnétique, un pôle solitaire sans partenaire.

Parfois, les équations cachent un intrus — comme une planche de parquet qui grince et ne laisse pas la maison tranquille. En théorie de la gravité, si l'on ajoute aux équations les carrés de la courbure (ce qui est nécessaire pour décrire des champs très intenses), une particule fantôme apparaît — lourde, mais avec une énergie négative.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Un diapason frappé s'éteint : ses vibrations s'échappent dans l'air. Mais il existe des systèmes où l'oscillation ne s'éteint pas, même si des ondes libres abondent à proximité, prêtes à emporter l'énergie. Ces états « piégés » sont appelés par les physiciens états liés dans le continuum (BIC).

Dans une chaîne de pièges, comme une rangée de forts côtiers, des atomes se sont installés. À côté, une mer quantique : le condensat de Bose-Einstein (une substance à résistance nulle où les particules se déplacent comme une seule vague).

Un proton ordinaire est constitué de trois quarks – comme un tabouret à trois pieds. Mais la nature n'interdit pas d'assembler un « fauteuil » de quatre quarks, si deux d'entre eux sont des quarks beauté lourds et deux sont légers.

L'élastique est tendu — et soudain, il claque. Dans le monde des atomes, on observe un phénomène similaire : la corde qui lie les particules peut se rompre. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont pris une chaîne d'atomes de Rydberg et ont suivi comment une telle corde se brise.

Un qubit supraconducteur est un minuscule circuit électrique qui se comporte comme un atome artificiel. Dans son état normal, le courant le traverse sans résistance, et les niveaux d'énergie sont disposés régulièrement, comme les marches d'un escalier. Mais si un électron unique se retrouve piégé dans le circuit, tout change.

Dans le monde quantique, la collision de particules ne les détruit pas, mais les enlace en un nœud indissoluble : états internes et mouvements s'entremêlent comme des fils. Des scientifiques ont développé une méthode universelle permettant de mesurer cette intrication directement à partir des données de collision.

Lorsqu'un neutron supplémentaire pénètre dans un noyau atomique, celui-ci se comporte comme une tasse trop pleine : encore un peu et le contenu déborde. Les physiciens du centre français GANIL ont organisé un tel « transfert » de neutron d'un deutéron (noyau d'hydrogène lourd) vers un noyau d'oxygène-19.

Un nuage d'atomes ultra-froids, semblable à un brouillard, suggère que la gravité pourrait ne pas suivre les lois de Newton. Aux confins des galaxies, les étoiles se déplacent plus vite que prévu, et la théorie MOND modifie la loi de l'attraction à grande distance, éliminant le besoin de matière noire.