diffusion inélastique de neutrons

Une salle des miroirs déformants : vous êtes au centre, et l'écho de votre voix revient d'un côté inattendu, amplifié et distordu. Ainsi les ondes de spin dans un mince film magnétique, excitées par une antenne, se réfléchissent sur les défauts et les irrégularités, créant un tableau de champs embrouillé.

Dans le cristal de niobate de rutile, les atomes de nickel sont logés dans des cages d'oxygène — des octaèdres. Parfois, l'un des atomes perd un électron, et la charge saute vers l'atome voisin, comme un témoin dans une course de relais. Mais ce saut n'est pas aléatoire : il est déclenché par les vibrations de tout le réseau.

Un film magnétique de trois millièmes de millimètre d'épaisseur repose sur un substrat cristallin. Si on l'excite, des ondes d'aimantation se propagent à sa surface, comme des ronds dans l'eau. Simultanément, des oscillations élastiques peuvent apparaître dans le substrat, semblables aux vibrations d'une corde tendue.

Les étoiles à neutrons sont les derniers agrégats de matière visible avant la chute dans un trou noir. Dans leurs entrailles, la matière est comprimée à des densités de l'ordre du billion. Là, les forces nucléaires et la gravité s'entrelacent pour former une substance exotique inaccessible à tout accélérateur terrestre.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

Les technologies quantiques ont un besoin crucial d'un « traducteur » universel entre les langages des micro-ondes et de la lumière. Les qubits supraconducteurs communiquent sur des ondes centimétriques, tandis que les photons dans les fibres optiques utilisent des fréquences optiques.

Compter les personnes dans une pièce sombre en écoutant leur respiration se heurte au bruit ambiant : on n'entend pas les inspirations individuelles. Les scientifiques qui travaillent sur les spins quantiques dans les solides sont confrontés à un problème similaire.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

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.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

Le cristal CeB6 ressemble à une boîte à secret : à l'intérieur, les électrons peuvent occuper quatre positions presque identiques, comme quatre sièges autour d'une table. Tant que personne ne regarde, l'électron semble assis sur les quatre à la fois.

Dans un solide, les atomes vibrent et transmettent le son. Parfois, cette onde ne se propage pas en ligne droite mais s'enroule en spirale, comme un tire-bouchon qui s'enfonce dans un bouchon. Dans les cristaux ordinaires, ces « tourbillons sonores » sont connus, mais dans les matériaux magnétiques, on ne les avait jamais vus.

Un aimant de frigo tient parce qu'à l'intérieur, les minuscules flèches atomiques sont alignées dans une même direction. Mais la mécanique quantique fait trembler ces flèches, et l'aimantation totale devient inférieure à la valeur idéale.

Si l'on chauffe un cristal, ses atomes se mettent à vibrer plus fort, un peu comme des cordes tendues plus ou moins fermement. Dans le cristal de LaCoO3 (un composé de lanthane, de cobalt et d'oxygène), lorsqu'on le chauffe de 2 à 650 K, deux réorganisations importantes se produisent : vers 100 K, l'état magnétique des ions de cobalt change, et vers 550 K, le matériau passe d'isolant à…

Si vous jetez une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un aimant, il y a aussi des ondes — mais ce ne sont pas les molécules d'eau qui oscillent, ce sont les directions des flèches magnétiques des atomes. Ces ondes sont appelées magnons, et leur comportement en dit long sur les forces invisibles entre les atomes.

Un faisceau d'électrons, torsadé comme un tire-bouchon, percute un proton. Du point d'impact jaillissent des paires de particules — un pion positif et un pion neutre. Les physiciens ont mesuré pour la première fois la fréquence à laquelle ces paires se séparent sous différents angles lorsque le spin de l'électron est orienté vers la gauche ou vers la droite.

Les matériaux magnétiques peuvent stocker l'énergie des oscillations, un peu comme un diapason qui continue de vibrer après avoir été frappé. Si l'on place un tel matériau dans une cavité micro-onde, ses oscillations (les magnons) commencent à interagir avec la lumière (les photons).

Une onde ordinaire dans un aimant ressemble à des rides à la surface de l'eau : plus le pas de l'onde est court, plus son énergie est élevée. Les physiciens appellent ces ondes des magnons. Mais dans une fine couche de grenat de bismuth et d'yttrium, on a réussi à créer des ondes au comportement inverse : leur énergie diminue lorsque la longueur d'onde se réduit. Ce sont des antimagnons.