hélium

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

L'atome d'hélium est comme une corde tendue : chaque note qu'il émet est strictement prédite par la théorie. Mais ces dernières années, des mesures précises de l'une de ces « notes » — l'énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome d'hélium excité — ont commencé à sonner légèrement plus haut que prévu.

Une plaque de cuivre de la taille d'une pièce de monnaie s'évapore sous l'impact du laser en quelques milliardièmes de seconde. Le nuage chaud de cuivre percute l'hélium froid, comme un jet de vapeur dans l'air glacial.

Un cristal d'iodure de sodium dopé au thallium, c'est comme un film photographique pour particules invisibles. Lorsqu'un quantum gamma ou une hypothétique particule de matière noire le frappe, il émet une faible lueur. Deux photomultiplicateurs en silicium, plaqués contre les extrémités du cristal, capturent cette lueur des deux côtés.

Un pont où piétons et cyclistes circulent dans le même flux sans se gêner. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les systèmes hybrides associant supraconducteurs et semi-conducteurs : les uns transportent le courant sans perte, les autres contrôlent ce courant.

Le radiotélescope FAST, avec son antenne de cinq cents mètres, a capté un signal sur une longueur d'onde de 21 centimètres – c'est ainsi que l'hydrogène froid émet. Le signal provenait d'un nuage baptisé Cloud-9. Il flotte dans l'espace à côté de la galaxie M94, mais ne renferme pas une seule étoile.

Les trois premières minutes après la naissance du monde : une cuisine cosmique où la nature a préparé les noyaux atomiques les plus légers. La recette est dictée par la gravité : elle contrôle le rythme de refroidissement du « bouillon » chaud de particules.

En 2024, l'équipe de David Charbonneau a pointé le télescope Magellan, équipé du spectrographe WINERED, vers LHS 1140. Au moment du transit, la spectroscopie à haute résolution a capté la raie d'absorption de l'hélium métastable à 10833 Å.

Dans le cœur brûlant d'une étoile, deux noyaux d'hélium se rapprochent comme deux danseurs sur une scène bondée. Leur danse, c'est la diffusion alpha, fondement de la combustion de l'hélium stellaire hélium]. La fluidité de leurs pirouettes détermine la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant.

Imaginez : de l'hélium-3 superfluide en film mince subit un choc thermique brutal. À cet instant, tout un orchestre de vibrations collectives s'éveille — comme un coup sur un tambour invisible qui engendre un accord aux multiples sonorités.

Dans l'eau bouillante, on peut voir une ébauche de ce tour de passe-passe quantique : si une partie du liquide se transforme en bulles de vapeur à longue durée de vie, la masse principale se refroidit.

L'amas de galaxies de Persée est une mégalopole géante de milliers d'îles stellaires, baignée dans un océan invisible de gaz surchauffé. Ce gaz, telle une brume urbaine, conserve les traces de toutes les usines chimiques qui ont fonctionné dans les galaxies pendant des milliards d'années : les explosions de supernovae qui dispersent des atomes fraîchement forgés.

Trois flotteurs sur l'eau se balancent de manière chaotique. Mais trois atomes d'hélium refroidis presque au zéro absolu se comportent autrement, comme s'ils obéissaient à une loi de similitude invisible. Leur attraction mutuelle est si faible que les atomes forment un nuage diffus.

Dans le centre densément peuplé de la galaxie, deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que l'une arrache les couches externes de l'autre — comme le vent emporte un vêtement. Il reste un noyau d'hélium brûlant, une étoile sans enveloppe d'hydrogène.

Une allumette s'enflamme par les deux bouts. D'abord, la tête s'allume, puis, un instant plus tard, la flamme embrase le bâtonnet de bois. Quelque chose de semblable se produit peut-être dans certaines supernovae de type Ia — sauf qu'au lieu d'une allumette, il y a une naine blanche (une étoile de la taille de la Terre), et au lieu du feu, une explosion thermonucléaire.

Dans l'hélium superfluide, le frottement visqueux disparaît — le liquide s'écoule comme un torrent de montagne, mais sans le moindre tourbillon, manifestant un effet quantique macroscopique.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

La lumière d'une étoile lointaine filtre à travers l'enveloppe gazeuse d'une planète, et les astronomes tentent de deviner de quoi cette enveloppe est faite. C'est ainsi que l'on étudie les atmosphères de mondes que l'on ne peut pas toucher.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Une particule alpha est un noyau d'hélium émis lors de la désintégration d'atomes lourds. Lorsqu'elle frappe un cristal de nitrure de gallium, elle lui cède son énergie et génère une impulsion électrique. La hauteur de l'impulsion permet de connaître l'énergie de la particule.

Lorsqu'on implante une électrode ultrafine dans le cerveau, le corps la perçoit comme une écharde. Autour d'elle se forme une cicatrice de cellules gliales — une gaine isolante dense qui étouffe le signal, comme un chiffon humide amortit la corde d'un instrument. L'électrode cesse d'entendre les neurones.

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 pièce sombre, une lampe de poche n'éclaire que ce qui se trouve dans son faisceau. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les atomes : une brève impulsion lumineuse éjecte des électrons, et en suivant leurs trajectoires, on peut comprendre comment l'atome est structuré.

Dans l'hélium refroidi presque au zéro absolu, le liquide cesse de frotter contre lui-même et s'écoule sans la moindre résistance.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Un liquide sans frottement qui coule éternellement, c'est la superfluidité. L'hélium-3 ne l'acquiert qu'à des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. La théorie de cet état a été créée par Lev Landau et Richard Feynman.

Le noyau atomique de l'hélium-5 est comme une corde trop tendue : il suffit d'une petite impulsion pour qu'il se brise en hélium-4 et un neutron. Attraper une telle désintégration et mesurer sa vitesse n'est pas une mince affaire.

Le niobium est un métal qui, lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, conduit le courant sans résistance. Dans les laboratoires, on le dépose en fines pistes sur un substrat, comme on étale de la crème sur un gâteau.

400 millions d'années après le Big Bang, le télescope James Webb a aperçu une tache lumineuse près de la galaxie GN-z11, tel un phare lointain dont la lumière traversait les ténèbres primordiales.

Le faisceau d'ions carbone frappe la tumeur avec précision, comme un chirurgien qui ne verrait que la peau. À l'intérieur du corps, le faisceau s'arrête, et savoir où exactement était un mystère.

Une collision à très grande vitesse a arraché un neutron du noyau d'hélium-8, et pendant un instant, un noyau d'hélium-7 est apparu — comme une étagère surchargée d'où trois livres tombent d'un coup.

La soudure classique ne convient pas aux circuits quantiques : lorsqu'on refroidit à la température de l'hélium liquide, le métal se fissure, et les contacts eux-mêmes introduisent du bruit.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

Un liquide qui s'écoule sans frottement, c'est l'hélium-4 superfluide, un étrange état de la matière à des températures inférieures à deux kelvins. En volume, la transition vers la superfluidité se produit à la température du point lambda, mais dans des canaux étroits, tout change.

Le silicium est comme un bloc de construction universel : on en fait les puces de nos téléphones, les panneaux solaires et les lasers. Mais si on le comprime avec une force énorme, les atomes se réorganisent en de nouveaux motifs – on appelle ces formes des allotropes.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Lorsqu'une étoile comme le Soleil épuise son hydrogène, elle se gonfle en géante rouge, et de l'hélium s'accumule dans son noyau. À un moment donné, l'hélium s'embrase : en quelques secondes, il libère autant d'énergie que l'étoile en a rayonné pendant des milliers d'années. C'est ce qu'on appelle le flash de l'hélium.

Les radiotélescopes ressemblent à des oreilles qui écoutent le cosmos. Habituellement, il n'y a qu'une seule oreille : elle capte le signal d'un tout petit point du ciel. C'est lent. Sur le télescope de Parkes, en Australie, 72 oreilles travaillent désormais en même temps.