Équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique

Un laser frappe un atome et en arrache un électron. Plus la lumière est intense, plus le coup est fort, et l'électron s'éloigne plus vite. C'est ainsi que fonctionne l'image habituelle, où la lumière est une onde régulière.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, des ondulations se propagent à travers le tissu de l'espace-temps : ce sont les ondes gravitationnelles. Mais que se passerait-il si, à la place de l'un d'eux, il n'y avait pas un trou noir ordinaire, mais quelque chose d'autre — un objet compact exotique ?

Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même. Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Un paquet de protons s'engouffre dans un nuage de plasma – et laisse derrière lui une trace invisible : une onde électrique. Cette onde peut attraper d'autres particules et les propulser à des énergies colossales. Mais la contrôler est délicat : le comportement du plasma est truffé de détails.

Imaginez un artiste dont la toile est une planète entière et la palette, des molécules qui boivent la lumière des étoiles. Son pinceau : des milliards d'années d'évolution ; son tableau : un portrait spectral visible même depuis un autre système stellaire.

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Un surfeur glisse sur la surface de l'océan jusqu'à ce qu'une grosse vague arrive – et le voilà projeté vers l'avant. C'est à peu près ainsi qu'un électron libre interagit avec la lumière : en général, l'échange d'énergie est à peine perceptible, mais si le milieu environnant commence à osciller rythmiquement, chaque crête de vague pousse la particule de plus en plus fort.

La lumière frappe un cristal et arrache un électron de sa place légitime. Il reste un vide — un trou, qui se comporte comme une charge positive. L'électron et le trou s'attirent et tournent l'un autour de l'autre, comme un couple dansant un slow. Une telle paire s'appelle un exciton (du mot « excitation »). Mais cette danse n'a pas lieu dans le vide.

Comprendre l'effet photoélectrique — lorsque la lumière arrache des électrons à un matériau — c'est un peu comme apprendre à cuisiner sans recette. Les outils numériques viennent à la rescousse : les jeux donnent l'intuition, les simulations apportent la précision.

Une charge en mouvement accéléré émet généralement de la lumière — c'est un fait banal. Mais des physiciens ont découvert que si la charge glisse le long d'une trajectoire particulière, son rayonnement se comporte différemment.

Deux sphères massives s'éloignent lentement dans le vide. Du point de vue de la mécanique ordinaire, rien de particulier. Mais les équations d'Einstein disent autre chose : des masses accélérées ébranlent l'espace lui-même, et d'elles se propagent des ondes gravitationnelles – une ondulation qui étire et comprime tout sur son passage.

Un trou noir, c'est une poche cosmique dans laquelle tout tombe, même la lumière. Mais les travaux pionniers de John Archibald Wheeler, Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que, parfois, à cause de l'immense courbure de l'espace-temps…

Une source de photons ordinaire peut être comparée à l'entrée d'une boîte de nuit où un seul videur est posté. Il s'efforce de laisser entrer les clients un par un, mais parfois des couples se faufilent. Les physiciens appellent cela le problème de pureté : les photons doivent arriver strictement un par un, sinon les calculs quantiques déraillent.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

Une molécule de deutérium — deux atomes d'hydrogène lourd — se disloque sous l'impact d'un laser. Un électron est arraché, laissant derrière lui un ion. À cet instant, ils sont encore liés : la direction de l'un révèle immédiatement où est parti l'autre. Cette liaison s'appelle l'intrication quantique.

Un quasar lointain apparaît comme quatre points lumineux disposés en croix. C'est ainsi que la gravité d'une galaxie située sur la ligne de visée le déforme : elle agit comme un verre irrégulier et multiplie l'image. Chaque point est le même objet, mais sa lumière emprunte des chemins différents.

Une feuille ordinaire de phosphore noir ressemble à un gâteau en couches d'atomes. Si on l'éclaire avec une lampe classique, rien de particulier ne se produit : les électrons restent bien en place, comme des spectateurs dans une salle obscure. Mais une brève impulsion laser, durant des millionièmes de milliardième de seconde, secoue cette salle.

Une boîte quantique, c'est comme une lampe unique qui s'allume et s'éteint sur commande d'un laser, émettant exactement un photon à la fois. Mais cette lumière a une particularité : les photons ne s'entendent pas entre eux, ils volent indépendamment, comme des gouttes aléatoires d'un robinet.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Habituellement, pour produire des ondes térahertz (une lumière située entre les micro-ondes et l'infrarouge), on construit un sandwich de métaux différents. Une couche sert de source, l'autre de collecteur de charges. Dans ces montages, le platine jouait le rôle de simple conducteur. Mais il s'avère qu'il peut fonctionner seul.

Lorsque la lumière arrache un électron à un atome, celui-ci s'envole comme une balle perdue dans la foule. Les scientifiques voulaient depuis longtemps savoir à quel instant exact chaque électron quittait l'atome, mais une mesure directe perturbait le processus.

Dans une pièce sombre, un atome et la lumière sont enfermés ensemble dans une boîte à miroirs. La boîte est si petite que l'atome ne peut pas simplement libérer la lumière – ils échangent constamment de l'énergie, comme deux danseurs qui ne se lâchent pas les mains.

Une rivière coule dans un sens, mais les vagues à sa surface se déplacent dans l'autre. Ce même dédoublement se produit dans les matériaux hyperboliques : l'énergie de l'onde lumineuse et ses fronts divergent, empêchant la création d'une lentille nette.

La lumière est un flux de photons, et en temps normal, un photon n'a pas de moment magnétique : il n'est pas dévié par un aimant comme le sont les copeaux de fer.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Une particule chargée, enroulée par un champ magnétique, ne reste pas silencieuse : elle émet de la lumière. Cette lumière est appelée rayonnement synchrotron, et on la rencontre partout – des galaxies lointaines aux accélérateurs de laboratoire.

Si l'on pouvait mettre la lumière en bouteille, les scientifiques auraient une chaîne de production idéale : une bouteille pour un photon, sans une goutte à côté.

Sur un vaste champ de lucioles qui scintillent une à une, et non en essaim, se penche un nouveau dispositif automatique. Il promène un laser sur l'échantillon, comme une lampe de poche, et enregistre en chaque point la couleur et l'intensité de la lueur.

Une feuille ultra-mince de semi-conducteur, c'est comme la pellicule d'une bulle de savon, mais faite d'atomes de tungstène et de sélénium. Si on la pique avec une aiguille en diamant bien pointue, de minuscules défauts apparaissent à cet endroit.

L'équation de diffusion est une photo floue d'une foule de particules : sur ce cliché, la perturbation se propage instantanément dans tout l'Univers, défiant la théorie de la relativité. Le mystère s'épaissit avec son lien avec l'augmentation de l'entropie (mesure du désordre).

Un matériau d'une épaisseur d'un atome et d'une pureté record – un seul atome étranger par million – devient le théâtre d'un phénomène étonnant. Lorsqu'on le refroidit presque au zéro absolu, les électrons à l'intérieur, tels des musiciens d'orchestre, se figent dans un ordre strict, formant un cristal.

Le muon, c'est comme un électron, mais environ 200 fois plus lourd. Lorsqu'il s'arrête dans un morceau de silicium, il est attiré dans le noyau atomique comme un aimant attire un clou. Le noyau reçoit un surplus d'énergie et se met à « bouillonner » : il en sort diverses particules — protons, deutons, tritons et particules alpha.

Les sursauts radio rapides sont de brillantes éruptions cosmiques qui, tel un coup de pistolet de départ, lancent une course d'ondes radio à travers l'Univers. Les astronomes les ont utilisés pour vérifier si le photon — la particule de lumière — possède une masse.

Une minuscule pointe de tungstène d'un rayon inférieur à cent nanomètres – la scène idéale pour observer le spectacle quantique. Il suffit d'appliquer un champ électrique de quelques volts par nanomètre pour que des électrons s'échappent du métal : c'est l'émission de champ.

La lumière frappe une plaque de métal et des électrons s'en échappent. C'est l'effet photoélectrique, qui ne se produit que si la lumière a assez d'énergie pour franchir le seuil qui retient les électrons à l'intérieur.