parois de domaine

Dans une casserole d'eau bouillante, les bulles de vapeur apparaissent puis disparaissent — une lutte similaire se joue dans les matériaux bidimensionnels. Ici, les électrons créent à la fois le magnétisme et tentent de l'éteindre.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

L'anneau est assemblé à partir de plusieurs segments différents. Dans chaque segment, les particules se comportent à leur manière, comme des musiciens jouant des notes différentes. Le plus intéressant se passe aux jonctions : ici, les particules ont tendance à se bloquer, comme un écho prisonnier d'un couloir étroit.

Une casserole de colle très épaisse et brûlante — voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Ce n'était pas de la colle ordinaire, mais une « soupe de gluons » : les particules qui transmettent l'interaction forte (les gluons) se déplaçaient librement dans l'espace.

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…

Dans les premiers instants après le Big Bang, la transition de phase cosmique a divisé le plasma chaud en régions avec différents vides — les états d'énergie les plus bas du champ.

Les lentilles et miroirs en verre semblent parfaitement lisses et immobiles. Mais à l'intérieur, une vie cachée bouillonne. Dans un matériau amorphe (une substance sans réseau cristallin), les atomes sont empilés de manière désordonnée, et ce désordre crée un paysage énergétique complexe — comme un pays montagneux…

Un nid d'abeilles fait non pas de cire mais d'atomes, c'est le graphène, un cristal plat d'une épaisseur d'une seule couche. Les électrons y ressemblent à des coureurs à un carrefour : ils accélèrent par endroits, ralentissent ailleurs, mais ne restent jamais bloqués sur le bord.

Après le Big Bang, l'univers a traversé une série de transitions de phase — comme l'eau qui se transforme en glace, mais avec des motifs imprévisibles.

En 1981, Alan Guth a proposé le scénario de l'inflation cosmologique — une expansion fulgurante de l'espace qui a étiré les fluctuations quantiques jusqu'à l'échelle de galaxies entières.

Dans les premiers instants de sa vie, l'Univers ressemblait à un chaudron bouillonnant. En refroidissant, il a connu des transitions de phase — un peu comme la vapeur se transforme en eau, mais au lieu de molécules, c'était l'état de l'espace lui-même qui changeait. Dans ce chaudron naissaient des bulles de la nouvelle phase, semblables aux bulles d'une casserole en ébullition.

Si l'on comprime de l'eau entre deux plaques de verre de manière à ne laisser que deux couches de molécules, elle se transforme en quelque chose d'intermédiaire entre liquide et glace. À température ambiante, les molécules dans ce piège bougent encore, mais s'organisent déjà en une sorte de réseau cristallin.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais voilà qu'une des vagues, au lieu de s'éloigner, reste collée à un pli invisible de la surface et ne court que le long de celui-ci.

Le 14 mai 2019, les détecteurs LIGO ont enregistré un sursaut gravitationnel qui sortait de l'ordinaire. L'événement GW190521 s'est présenté comme la collision de deux trous noirs de 85 et 66 masses solaires.

Un ressort comprimé reste immobile pendant des années. On croirait qu'il est figé pour toujours, mais à l'intérieur du métal, les atomes se réarrangent lentement — et un jour, le ressort claque, passant à une nouvelle position, plus libre.

Un élastique qui devient plus épais à mesure qu'on le tire. En électricité, ce comportement s'appelle la capacité négative : plus la charge s'accumule sur les armatures, plus la tension diminue. Un condensateur ordinaire fonctionne à l'inverse — la tension augmente avec la charge.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

Le thé chaud placé dans le congélateur ne se couvre pas immédiatement de glace. D'abord, de minuscules aiguilles de glace s'y agitent — elles apparaissent et fondent, jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que la glace prenne solidement. C'est à peu près ce qui s'est passé dans l'Univers primordial lorsqu'il refroidissait et modifiait sa structure interne.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

Un ballon de baudruche ne se dégonfle pas d'un seul coup : d'abord, des creux apparaissent à sa surface, qui courent, fusionnent, et finalement le ballon se ratatine en un point. C'est à peu près ce que font les parois de domaine – de fines cloisons qui divisaient l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang.

Un immense gâteau en couches, où les couches de pâte sont l'espace et la garniture est une région particulière, semblable à un mur invisible. Ce mur n'est pas en briques, mais en énergie, et il pourrait être aussi épais que l'Univers entier. Si un tel mur existe, il devrait étirer les couches de pâte différemment : celles qui sont le long de lui s'écartent plus vite, et celles qui sont en travers, plus lentement.

L'énigme de la matière noire, repérée pour la première fois dans les tourbillons stellaires par Vera Rubin, taraude la physique depuis près d'un siècle. L'une des hypothèses les plus audacieuses est celle des trous noirs primordiaux, nés dans le bouillon brûlant de l'univers primordial.

La première image qui vient à l'esprit quand on pense à la naissance de l'univers, c'est une explosion. Mais la cosmologie moderne peint un tableau plus raffiné : une naissance à travers le goulot d'un verre à vin.

L'univers n'est pas un vide, mais une immense sphère cristalline, parcourue de frontières invisibles — les parois de domaine, figées après des transitions de phase.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ils se réfléchissent sur les berges, se superposent, s'estompent. Tout ce mouvement se déploie dans l'espace. Mais que se passerait-il si l'étang lui-même changeait soudainement de profondeur ou de densité — non pas en un point, mais partout à la fois ?

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

Un aimant avec un seul pôle – nord, sans pôle sud – n'est pas un fragment, mais une particule à part entière. On l'appelle monopôle magnétique (porteur d'une charge magnétique unique). La naissance de tels invités a pu se produire dans l'Univers primordial, lorsque les forces se sont séparées.

Les mesures magnétiques ordinaires ne voient que la surface du supraconducteur, où les barrières et les flux visqueux du champ magnétique gênent. À l'intérieur, dans ce qu'on appelle l'état intermédiaire, coexistent des domaines supraconducteurs et normaux, séparés par de fines parois. Ces parois peuvent osciller, mais il était difficile de les entendre directement.

Un cristal ordinaire, c'est comme un immeuble : les électrons y circulent dans des couloirs et des escaliers communs, s'influençant mutuellement à travers les murs. Maintenant, enlevons tous les murs, ne laissant qu'une seule rangée d'appartements.

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).

Jetez une poignée de sable sur le sol : les gros grains sont rares, les petits sont nombreux, et les minuscules encore plus. Ce déséquilibre, où les petits événements sont fréquents et les grands rares, est décrit par une loi de puissance. On la retrouve dans la taille des villes, la force des séismes, le nombre de citations d'articles scientifiques.

Dans le cristal HfTe5, les électrons se comportent presque comme la lumière : leur masse est si faible qu'ils obéissent aux lois de la relativité. Si l'on place un tel cristal dans un champ magnétique intense, les électrons se mettent à tourner sur de petites orbites.

Dans le monde quantique, certaines règles semblent violées. L'une d'elles est la loi de conservation : si en physique classique la symétrie garantit la conservation de la charge, lors du passage à la description quantique, cette garantie peut disparaître. Ce phénomène est appelé anomalie quantique.

Un ressort comprimé à l'extrême finit par casser. De même, la théorie classique de la gravitation mène à une singularité – un point où toutes les lois s'effondrent. La mécanique quantique transforme cette fin en rebond élastique.

Dans un cristal métallique, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des briques dans un mur. Mais si l'on retire une brique, il reste un vide — on appelle cela une lacune. Sous irradiation, ces vides deviennent nombreux, ils commencent à fusionner en grands trous, et le métal perd de sa résistance.

Une pile de crêpes identiques dans une assiette n'est qu'une pile. Mais si on les dispose selon un certain ordre, quelque chose de nouveau apparaît soudain : par exemple, un motif invisible sur chaque crêpe prise séparément. Les physiciens ont réalisé un tour similaire avec de fines couches de matériaux.

Deux particules se tiennent l'une à l'autre comme des alpinistes encordés, et foncent vers un mur. Vont-elles rebondir ensemble ou la corde va-t-elle se rompre ? De quoi cela dépend-il ? Les physiciens ont examiné le cas le plus simple : tout se passe sur une ligne droite, les particules ne s'attirent que lorsqu'elles se trouvent au même point, et le mur est absolument rigide.

Une étoile à neutrons est le résidu compressé d'un astre : une montagne de matière dans un volume minuscule. Si de la matière noire — cette substance invisible qui maintient les galaxies — s'y accumule, elle peut, sous certaines conditions, signer sa perte.

Dans le monde familier, il y a trois dimensions. Mais les physiciens envisagent l'existence de directions cachées, repliées sur elles-mêmes. Si l'une d'elles est enroulée en bouteille de Klein — une surface sans intérieur ni extérieur — les lois fondamentales se brisent.