condensat d'excitons

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.

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.

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.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers ressemblait à une marmite bouillonnante. Selon une hypothèse, la matière noire — cette substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer — aurait pu y naître.

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.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

L'eau dans un verre semble continue, mais elle est faite de molécules. C'est un peu ainsi que les physiciens ont longtemps décrit la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons : comme une soupe homogène de protons et de neutrons. Mais les vraies étoiles à neutrons ne sont pas une soupe. C'est une foule dense de particules où chaque neutron sent la présence de ses voisins.

Le matériau de construction le plus massif de la planète — le béton — garde ses principaux secrets à l'échelle nanométrique. Sa résistance et sa propension à s'écouler lentement sous charge sont déterminées par le gel microscopique d'hydrate de silicate de calcium (C-S-H), dont la structure est chaotique, comme un tourbillon d'atomes figé.

En 1984, le monde de la cristallographie a été bouleversé : dans un alliage d'aluminium et de manganèse, on a découvert des pics de diffraction aigus avec une symétrie d'ordre cinq – comme si la nature se moquait des théorèmes stricts qui interdisaient aux motifs répétitifs d'avoir des axes 5, 8, 10 ou 12.

La superfluidité — cet état dans lequel la matière s'écoule sans frottement — est longtemps restée insaisissable dans les condensats de Bose-Einstein d'excitons neutres.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un nuage invisible : le halo de matière noire. Si cette matière est suffisamment froide et légère, elle se comporte comme un superfluide : elle s'écoule sans frottement, et toute rotation s'y enroule en de minuscules vortex quantiques — des filaments de la taille d'un…

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.

À des températures de quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu naît le condensat de Bose-Einstein — un état où des milliers d'atomes défilent au même rythme quantique.

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.

Un pendule qui oscille tout seul, sans qu'on ait besoin de le remonter : dans le monde quantique, ces « pendules » sont appelés cristaux temporels. Leur mouvement rythmique naît spontanément et ne s'amortit pas. Mais jusqu'ici, il était presque impossible de contrôler ce rythme : toute intervention risquait de détruire le fragile équilibre.

Un atome de potassium solitaire pénètre dans un nuage dense d'atomes de sodium, refroidi à presque zéro absolu. Un tel milieu est appelé condensat de Bose-Einstein — toutes les particules s'y fondent en une seule onde quantique. On pourrait s'attendre à ce que l'impureté se choisisse simplement un voisin et forme une paire.

Dans le monde quantique, les particules peuvent fusionner en un liquide unique qui s'écoule sans frottement. L'une de ses formes les plus mystérieuses est le liquide quantique fractionnaire de Hall.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

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.

L'univers n'est pas un bloc monolithique, mais une toile tissée d'innombrables fils quantiques. La courbure de l'espace-temps ne s'écoule pas comme l'eau, elle vibre comme une tapisserie agitée par le vent. Longtemps, les physiciens n'ont vu que le motif d'ensemble, négligeant le tremblement des fils individuels.

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.

Deux fines feuilles sur lesquelles sont dessinées des alvéoles sont superposées puis légèrement pivotées. Un nouveau motif apparaît : un moiré, semblable aux reflets de la soie. C'est à peu près ce que font les électrons dans l'expérience : ils s'organisent en deux couches, et l'une se retrouve pivotée de 30 degrés exactement par rapport à l'autre.

Imaginez deux chorales dans des pièces insonorisées sur une scène instable. Elles chantent, mais ne s'entendent pas — l'air ne porte pas la mélodie. Pourtant, si la scène tremble, ses vibrations lient leurs chants. C'est sur cette idée que repose un nouveau test de la gravité quantique.

Un nuage froid d'atomes ressemble à un essaim de lucioles qui se tirent les unes vers les autres. L'attraction entre les atomes tente de les rassembler en une boule compacte. Mais le frémissement quantique — le mouvement irréductible des particules — empêche la boule de s'effondrer. Lorsque l'attraction est forte, le nuage se fragmente en amas distincts.

Une pierre lancée tombe avec une accélération, et en mesurant le temps de chute, on peut calculer la force de gravité. Les scientifiques répètent cette expérience avec un nuage d'atomes refroidis à presque zéro absolu.

Dans l'hélium superfluide, un vortex ressemble à une tornade dans une bouteille, mais au lieu d'eau, c'est un liquide quantique qui s'écoule sans frottement. Un tel vortex ne se dissipe pas de lui-même, donc la question de savoir où va son énergie est restée longtemps ouverte.

Dans une chaîne de pièges, comme une rangée de forts côtiers, des atomes se sont installés. À côté, une mer quantique : le condensat de Bose-Einstein (une substance à résistance nulle où les particules se déplacent comme une seule vague).

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.

Les ondes magnétiques dans un gaz ultra-froid se comportent comme des cordes élastiques. Deux ou trois de ces cordes peuvent se tresser en un nœud unique qui respire : il se contracte puis se dilate, mais ne se défait pas. Pour la première fois, des scientifiques ont assemblé de tels nœuds en laboratoire et ont vérifié que leur respiration correspond exactement aux calculs.

Dans les cristaux bidimensionnels, les électrons et les trous (des places vides chargées positivement) s'attirent et forment des paires — des excitons.

Une fine pellicule de semi-conducteur d'un atome d'épaisseur ressemble à un appartement communautaire : y cohabitent des électrons chargés négativement et des « trous » chargés positivement.

L'effet Hall quantique a longtemps été soupçonné de superfluidité — la capacité de s'écouler sans frottement. Imaginez un chef qui suit une recette : pour chaque unité de flux magnétique, il doit ajouter exactement un certain nombre d'électrons.

Le bismuth bidimensionnel sur substrat de silicium est un matériau prometteur pour l'électronique du futur. Ses bords conduisent le courant sans pertes, comme une autoroute sans feux rouges. Mais le bismuth est fragile : l'air et l'humidité dégradent rapidement ses propriétés.

La lentille « œil de poisson » est un verre inhabituel : son indice de réfraction varie du centre vers le bord de telle sorte que tout rayon émis depuis un point quelconque converge vers le point strictement opposé. Fabriquer une telle lentille en verre ordinaire est presque impossible, mais les physiciens ont trouvé une solution de contournement.

Un minuscule nuage d'atomes, refroidi à des millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, flotte dans un piège annulaire. Il ressemble à un collier lumineux, mais les physiciens l'ont fait vivre à la surface d'un beignet invisible. Grâce à des faisceaux laser et à des impulsions micro-ondes, trois états internes des atomes ont été couplés en un cycle.

Un carrelage ordinaire forme un motif répétitif. Mais les atomes peuvent faire mieux : dans certaines conditions, ils assemblent seuls une mosaïque complexe dont le motif ne se répète jamais, comme sur les anciens panneaux de faïence.

Une boîte quantique de la taille de quelques milliers d'atomes scintille comme une ampoule défectueuse. Tantôt elle s'illumine vivement, tantôt elle s'éteint presque. On pensait auparavant que dans les moments sombres, elle émettait non seulement des photons uniques, mais aussi des paires supplémentaires – un défaut pour la communication quantique.