localisation induite par le désordre

Les polymères lamellaires ressemblent à un immeuble à plusieurs étages, où chaque étage est peint d'une couleur différente, et où des fissures apparaissent parfois entre les étages. Ces fissures sont des paires de dislocations : des ruptures de périodicité qui endommagent le matériau. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à contrôler ces défauts sans avoir à reconstruire tout l'immeuble.

Dans les cristaux, nous sommes fascinés par l'ordre spatial parfait : les atomes sont figés aux nœuds du réseau, comme des perles sur un fil invisible. Mais que se passerait-il si une telle symétrie se manifestait dans le temps ?

Des scientifiques ont fait en sorte que des ondes électromagnétiques se perdent à jamais dans un labyrinthe tridimensionnel de particules métalliques. Jusqu'à présent, cela n'avait été réalisé que pour le son ou les électrons. L'entropie — mesure du désordre — a joué ici le rôle d'un cul-de-sac : les ondes se superposaient et s'annulaient mutuellement, perdant leur direction.

Un cristal, c'est comme un régiment en parade : chaque atome à sa place, et les électrons y défilent en ondes régulières. Un matériau amorphe, c'est une foule dans une gare : aucun ordre, juste une cohue permanente. Dans une telle foule, un électron se retrouve vite coincé, comme une personne qui tente de traverser une masse compacte de gens.

Dans un disque de gaz et de poussière autour d'une jeune étoile, les particules de poussière se comportent comme des grains de sable dans un courant d'eau : le gaz s'écoule plus vite, la poussière reste en arrière, et une friction apparaît entre eux. Cette friction peut faire osciller les ondes magnétiques qui parcourent le disque.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

La lumière, en traversant un milieu trouble — par exemple un verre de lait ou du verre dépoli — se diffuse dans toutes les directions. Mais parfois, au lieu de se disperser, elle reste piégée dans de minuscules « poches » à l'intérieur du matériau. Ces poches, les physiciens les appellent des modes localisés : la lumière y tombe comme dans un piège et ne peut plus en sortir.

Une particule erre dans un milieu où des obstacles sont disposés. Parfois, elle les pousse devant elle, comme un chasse-neige, et on pensait que c'était cette poussée qui finissait par arrêter le mouvement. Mais en trois dimensions, ce mécanisme ne fonctionne pas.

Un fil très fin fait d'un matériau spécial — l'isolant topologique — se comporte comme une rue en ville : l'intérieur est vide, et tout le trafic se fait sur les bords. Les électrons dans un tel fil ne se déplacent que sur la surface, comme des piétons sur le trottoir, sans s'aventurer sur la chaussée.

Dans un tokamak, le plasma est comme une foule dans une rue étroite : dès que quelqu'un se met à courir, tout le monde s'emballe d'un coup. Dans un stellarator à section non circulaire, la rue est sinueuse, avec des impasses et des recoins. La foule ne peut pas se rassembler en une seule vague — les gens restent coincés dans différents coins.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais pas le métal ni l'eau. On l'utilise donc dans les scanners de sécurité et l'imagerie médicale. Pour observer la polarisation d'un tel rayonnement, il faut un détecteur.

Jetez une poignée de cailloux dans un ruisseau : certains se posent au fond, d'autres sont contournés par l'eau. C'est à peu près ainsi que se comportent les ondes dans un milieu désordonné — la lumière dans un verre dépoli, le son dans un matériau poreux. En général, le désordre ralentit le mouvement : l'onde se coince, s'étale, perd sa direction.

Dans un cristal, les atomes occupent généralement leur place attitrée, comme des passagers dans un avion avec leurs billets. Mais dans ce matériau, le cuivre et le tantale ont pris des positions au hasard — comme si les billets avaient été mélangés. Les scientifiques ont observé le cristal à l'aide de rayons X et ont constaté que le désordre n'est pas seulement sur le papier, mais dans la disposition même des atomes.

Jetez une poignée de petits pois dans une casserole de semoule : les pois couleront rapidement, en écartant les grains. Mais si la semoule est très épaisse et collante, les pois resteront coincés.

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.