états de transfert de charge

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

La durée de vie de la paire de triplets intriquée dans la protéine est d'environ 60 picosecondes, soit huit fois plus longue que dans une solution. La lumière du soleil est comme un flux continu de balles frappant un mur.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

La lumière frappe une molécule organique — et à l'intérieur naît une paire de jumeaux d'excitation. On les appelle paires de triplets.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Un supraconducteur ressemble à une autoroute idéale sans feux rouges : les électrons filent sans entrave. Mais dès qu'on applique une tension, le tableau change. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont découvert que le champ électrique pénètre dans le supraconducteur et y crée un régime mixte.

Deux cordes de guitare tendues sur le même manche. Elles sont presque identiques, mais l'une est un peu plus courte — et elles sonnent différemment. C'est à peu près ainsi que sont faits les deux isomères de l'éthanimine : des molécules avec le même ensemble d'atomes, mais orientées différemment dans l'espace.

Dans les dispositifs quantiques à base de diamant, il existe un minuscule défaut : le centre azote-lacune (un atome d'azote plus une lacune à la place d'un atome de carbone). Il fonctionne comme un interrupteur qui bascule spontanément d'un état à l'autre : il peut porter un électron supplémentaire ou non, et selon cela, il émet ou non de la lumière.

Dans le monde quantique, la lumière et la matière échangent constamment de l'énergie. Auparavant, on les décrivait de manière statique, comme des poses figées. La nouvelle approche suit la danse elle-même : les transitions entre les états, comme une succession continue de mouvements.

Un fil de cuivre parcouru par un courant est une image familière, mais à l'intérieur se produit quelque chose d'inattendu. Un courant électrique intense ne se contente pas de chauffer le métal : il éjecte les atomes de leur place légitime, laissant derrière lui de minuscules vides — comme si l'on retirait soudainement quelques billes d'un empilement compact.

Un memristor est une résistance à mémoire : après coupure du courant, il conserve sa résistance. À l'intérieur, une fine couche d'oxyde métallique est prise en sandwich entre deux électrodes métalliques.

Une batterie au lithium ressemble à un sandwich : deux tranches de pain sont les électrodes, et entre elles, la garniture est l'électrolyte, à travers lequel les ions lithium font des allers-retours. Dans les batteries classiques, la garniture est liquide, comme une sauce, et peut fuir ou s'enflammer.

Un faisceau laser traversant un cristal spécial se transforme de lui-même en « chat de Schrödinger » — un mélange de deux états. Erwin Schrödinger a imaginé ce paradoxe pour un atome, et voilà que les physiciens l'observent pour un flux entier de photons. La lumière ressemble à une compagnie de soldats sur la place d'armes.

Si vous remuez du sucre dans un verre, on dirait que l'eau bouge dans tous les sens. Mais à l'intérieur d'un réacteur chimique avec agitateur, le liquide ne fait pas que bouillonner : il forme des « îles » cachées qui n'échangent presque pas leur contenu. Des scientifiques ont trouvé un moyen de voir ces îles en suivant les trajectoires de minuscules particules.

Lorsque deux matériaux différents sont pressés l'un contre l'autre puis séparés, une étincelle jaillit entre eux. Tout le monde connaît cela : retirer un pull en laine dans le noir ou recevoir une décharge en touchant une poignée de porte. Pendant longtemps, on pensait que les charges passaient simplement d'une surface à l'autre en raison des différences de propriétés des matériaux.

Le point lumineux dans la chambre à vide ne s'éteint pas, même si on a cessé de l'éclairer depuis longtemps. Un ion unique d'ytterbium, piégé par des champs électriques, est resté coincé dans un état excité — comme si l'électron à l'intérieur avait oublié comment regagner sa place habituelle.

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 impulsion laser frappe une couche d'argent d'un atome d'épaisseur déposée sur un graphène bicouche — et en un quadrillionième de seconde, une bande interdite apparaît dans la structure électronique du graphène, là où il n'y en avait pas.

Dans une batterie, le lithium se comporte parfois comme du lierre sur une façade : au lieu de former une couche uniforme, il émet de fines excroissances pointues. Ces aiguilles peuvent percer le séparateur à l'intérieur de l'accumulateur et provoquer un court-circuit. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent des moyens d'obliger le lithium à croître calmement.

La lumière qu'un atome émet ou absorbe ressemble à des empreintes digitales : chaque élément a son propre motif de raies. Dans l'ion d'ytterbium (un atome qui a perdu un électron), on a découvert trois nouvelles raies qui n'avaient pas été utilisées auparavant. Ces raies sont très fines — comme des fentes étroites dans une clôture, à travers lesquelles on voit loin et nettement.

Sur les accélérateurs, il arrive que naissent des particules qui ne rentrent pas dans le schéma habituel de deux ou trois quarks. Deux de ces particules, Zb(10610) et Zb(10650), intriguent les physiciens depuis plus de dix ans. Elles ressemblent à des analogues lourds des pions, mais avec un signe évident d'une composition à quatre quarks.

Le cristal NbSe2 ressemble à une pile de feuilles de papier : les couches sont serrées et leurs propriétés se fondent. Des chimistes ont trouvé le moyen d'écarter cette pile de près du double — en insérant de longues molécules organiques entre les couches, comme des intercalaires. Désormais, chaque couche se comporte comme si elle était seule, d'un atome d'épaisseur.

L'oxyde de vanadium est un matériau qui peut être soit isolant (ne conduisant pas le courant), soit conducteur comme un métal. La bascule prend des trillionièmes de seconde, et l'on souhaite construire des dispositifs électroniques ultrarapides sur cette base. Mais comment cela se produit-il exactement ? Cela est resté longtemps une énigme.

Deux voix dans un duo moléculaire peuvent chanter à l'unisson ou s'éteindre mutuellement jusqu'au silence. En physique, ce silence s'appelle un état sombre : une excitation quantique qui n'interagit pas avec la lumière et vit donc exceptionnellement longtemps.

Un film mince de dioxyde de thorium, d'une épaisseur de seulement 10 nanomètres, est déposé sur un disque d'acier. Une impulsion laser le frappe, mais au lieu de la luminescence attendue, le détecteur capte un flux d'électrons.