exciton

Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide.

Dans un semi-conducteur ordinaire, il est difficile d'obtenir à la fois deux choses : un fort magnétisme et une paire électron-trou robuste, qui naît lors de l'absorption de la lumière.

Dans un semi-conducteur ordinaire, il est difficile d'obtenir à la fois deux choses : un fort magnétisme et une paire électron-trou robuste, qui naît lors de l'absorption de la lumière.

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

Une piste de danse vide, où quelques personnes apparaissent de temps en temps. Chacun se déplace à sa guise, de manière chaotique, sans aucun lien avec les autres. Mais dès qu'on met une certaine musique et qu'on refroidit un peu la salle, les danseurs se mettent soudain à s'aligner en longues chaînes et à bouger à l'unisson. C'est à peu près ce que font les électrons dans un gaz tridimensionnel raréfié.

Le cristal d'oxyde de cuivre ressemble à un petit caillou rouge sombre. Mais dès qu'une impulsion laser brève l'atteint, des paires naissent à l'intérieur : un électron et un « trou » — l'endroit où manque un électron.

Une piste de danse vide, où quelques personnes apparaissent de temps en temps. Chacun se déplace à sa guise, de manière chaotique, sans aucun lien avec les autres. Mais dès qu'on met une certaine musique et qu'on refroidit un peu la salle, les danseurs se mettent soudain à s'aligner en longues chaînes et à bouger à l'unisson. C'est à peu près ce que font les électrons dans un gaz tridimensionnel raréfié.

Le cristal d'oxyde de cuivre ressemble à un petit caillou rouge sombre. Mais dès qu'une impulsion laser brève l'atteint, des paires naissent à l'intérieur : un électron et un « trou » — l'endroit où manque un électron.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Les bandes électroniques d'un cristal sont comme des cordes, chacune avec sa propre tonalité. En général, si les cordes sont accordées simplement, sans entrelacements compliqués, le son produit par leur mouvement conjoint reste simple.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Les bandes électroniques d'un cristal sont comme des cordes, chacune avec sa propre tonalité. En général, si les cordes sont accordées simplement, sans entrelacements compliqués, le son produit par leur mouvement conjoint reste simple.

Prenons deux fines feuilles de semi-conducteur. L'une est imprégnée d'électrons libres, comme un café bondé où chaque table est occupée. L'autre, au contraire, est pleine de places vides — des « trous » qui ne demandent qu'à être comblés.

Prenons deux fines feuilles de semi-conducteur. L'une est imprégnée d'électrons libres, comme un café bondé où chaque table est occupée. L'autre, au contraire, est pleine de places vides — des « trous » qui ne demandent qu'à être comblés.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

Dans l'espace entre deux miroirs, un faisceau lumineux va et vient. Il se réfléchit, repart en arrière, se réfléchit à nouveau – et ainsi de suite. À l'intérieur de cet espace se trouve une fine couche d'électrons qui peut tourner sous l'effet d'un champ magnétique.

Par grand froid — moins 268 degrés — une couche cristalline de pérovskite commence à transmettre la lumière différemment selon sa polarisation. Le faisceau semble se dédoubler : une partie va un peu plus vite, l'autre un peu plus lentement.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers a connu l'inflation, une expansion fulgurante qui a lissé toutes les irrégularités. Mais parmi cette glace cosmique, une note « fausse » aurait pu se glisser : les oscillations quantiques du champ d'axions.

Les matériaux électroluminescents à base de molécules organiques ressemblent à un carrefour animé sans feu de signalisation. Les molécules reçoivent de l'énergie, mais au lieu de la restituer honnêtement sous forme de lumière, elles s'engagent souvent dans des impasses : elles forment des paires sombres (des exciplexes — des complexes de courte durée de vie sans émission) ou entrent en…

Imaginez un faisceau vert qui, traversant un montage optique ingénieux, se tord en un entonnoir de lumière tridimensionnel — un vortex optique. En son cœur, comme dans l'œil d'un cyclone, l'intensité chute à zéro. C'est là que les photons disparaissent.

Une onde lumineuse ressemble à une corde que l'on secoue : elle oscille dans un plan précis. Cette propriété, la polarisation, renseigne sur la forme et la composition des objets. Mais la capter n'est pas simple, surtout si l'on veut couvrir une large gamme de couleurs. Habituellement, on assemble des systèmes encombrants de lentilles et de filtres.

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

Dans un orchestre, les musiciens jouent chacun leur partition sans entendre les autres. Dans un cristal parfait de disulfure de tungstène sur graphène, les excitons — paires liées électron-trou — se comportent de la même manière : ils ne se mélangent presque pas en raison d'une symétrie cachée appelée symétrie de vallée.

La lumière se piège dans un réseau cristallin, mais pas un réseau ordinaire : un réseau retourné comme une peau de chamois, où au lieu de la cire il y a du vide, et les arêtes sont en matériau. C'est ainsi qu'est fait l'opale inversée — un cristal photonique tridimensionnel qui ne laisse pas passer la lumière de certaines couleurs.

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.

Le Soleil est un chaudron bouillonnant d'hydrogène et d'hélium, où le gaz incandescent est pris au piège de lacets magnétiques. Lorsque ces câbles invisibles se reconnectent, une énergie comparable à des milliards d'explosions thermonucléaires est libérée. Où va-t-elle ?

Une lampe de poche ordinaire éclaire aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Mais dans les cristaux magnétiques naît un axion — une excitation fantomatique, semblable à une vague qui parcourt un stade : les atomes se transmettent une impulsion magnétique.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

Le transfert d'énergie dans la photosynthèse ressemble à un toboggan : il s'affaisse sous le poids d'un enfant, modifiant la trajectoire du suivant. De même dans une feuille : l'état excité d'une molécule redessine instantanément le « paysage » de ses voisines.

Le balancier d'une horloge ancienne oscille parce qu'un mécanisme à ressort le pousse régulièrement. Imaginez maintenant un balancier qui décide lui-même de son mouvement — et qui le fait avec un rythme immuable, simplement parce que la pièce est chaude et qu'il y a un léger courant d'air.

Dans un mince sandwich de semiconducteurs, la lumière crée des paires — un électron et un trou positif — qui restent liés comme une balle au bout d'un élastique. Habituellement, ces paires, les excitons, émettent rapidement de la lumière et disparaissent.

La lumière du soleil frappe une plaquette de silicium – et un courant apparaît dans le circuit. C'est le fonctionnement habituel d'une cellule photovoltaïque : la lumière arrache des électrons, et la jonction p-n (la frontière entre deux couches de conductivités différentes) les force à se déplacer dans une même direction.

Une pincée de sel tombe dans l'eau, et les ions sodium et chlore se dispersent, entourés de molécules d'eau. Maintenant, au lieu d'un ion, c'est un positron qui se retrouve dans la compagnie moléculaire — une antiparticule, jumelle de l'électron, mais avec un plus au lieu d'un moins.

Une grosse balle collante lancée sur une étagère poussiéreuse rebondira et soulèvera un nuage de poussière, mais si on la fait rouler lentement, elle ramassera chaque grain. C'est exactement ce que font les excitons de Rydberg — des « atomes » géants dans le cristal, nommés d'après Johannes Rydberg.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

Dans une pièce sombre, un laser infrarouge émet une impulsion, et un fragment de poudre noire de K3C60 devient, pendant une fraction de seconde, un conducteur sans résistance. La lumière frappe à une fréquence de 10 térahertz — mille fois plus rapide que le fonctionnement d'un four à micro-ondes.

Le bleu est la couleur la plus capricieuse de tout écran. Pour l'obtenir, il faut dépenser beaucoup d'énergie, et la lumière obtenue est souvent terne. Les chimistes cherchent depuis longtemps des molécules capables d'émettre un bleu profond, intense et durable. Ils ont maintenant imaginé une nouvelle conception à base d'europium, un métal des terres rares qui sait produire une lumière bleue pure.

Les ordinateurs et capteurs quantiques fonctionnent à des fréquences micro-ondes, mais pour transmettre leurs signaux sur de longues distances, on utilise la fibre optique, qui emploie la lumière.

La lumière et les atomes, comme des danseurs, peuvent se mouvoir à l'unisson ou en désordre. Lorsque leur interaction est anisotrope — c'est-à-dire qu'elle dépend de la direction — la danse se complique.

Une boîte quantique de la taille d'un virus, prise en sandwich entre deux miroirs, donne naissance à deux photons lors d'un bref éclair de lumière.

Un cristal ultra-mince d'atomes de tungstène et de soufre ressemble à un parking idéal : toutes les places sont occupées, tout est bien rangé. Mais parfois, un atome manque, créant un trou-défaut. Si un exciton (une paire électron-trou qui transporte l'énergie de la lumière) tombe dans ce trou, il peut s'y coincer et l'éclairer différemment que dans une zone propre.