niveau de Landau

Dans certains cristaux, les électrons ne sont pas répartis uniformément, mais s'organisent en un strict damier : sur une case, il y a plus d'électrons, sur la case voisine, moins. Ce motif est appelé ordre de charge, et on l'a longtemps considéré comme quelque chose de figé, un peu comme les motifs sur une vitre givrée.

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

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.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

10¹⁵ gauss — c'est l'intensité du champ magnétique détecté sur certaines naines blanches. C'est des milliards de fois plus fort que ce qu'indique une boussole sur Terre. Une naine blanche n'est pas une étoile au sens habituel, mais un noyau refroidi de la taille d'une planète.

Un cristal vert pâle a été placé dans un champ magnétique et refroidi à moins d'un kelvin, presque au zéro absolu. À l'intérieur se cachent des chaînes d'atomes de cuivre qui se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques.

Une minuscule bille aimantée flotte dans le vide, maintenue par des champs invisibles. Elle se met à tourner autour de l'axe du champ magnétique — tout comme une toupie qu'on aurait légèrement poussée. C'est la précession. Mais lorsque la bille devient très petite, les lois quantiques entrent en jeu.

Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs.

Une pente avec trois creux : le plus profond est la position stable de la bille, celui du milieu est instable. Une faible poussée et la bille dévale. Pourtant, une vibration constante de la bonne intensité peut la maintenir dans le creux du milieu pendant longtemps.

Une longue chaîne d'atomes, et chacun est un minuscule aimant. Ils se parlent entre eux et avec le champ commun, comme des musiciens dans un orchestre qui entendent à la fois le chef et leurs voisins. Lorsque le champ externe change, l'orchestre joue soit en désordre, soit tous les instruments entrent en synchronie — c'est cela, une transition de phase quantique.

La gravité, c'est un peu un filet cosmique : les corps massifs l'étirent, et les objets légers roulent le long de ses courbures. Mais dans le monde des atomes, ce filet se met à trembler de façon chaotique, générant des valeurs infinies dans les équations. La courbure de l'espace-temps cesse d'être lisse.

Le champ magnétique augmente, mais l'aimantation reste figée. Comme une balance sur laquelle on ajoute des poids sans que l'aiguille ne bouge, jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour sauter à la graduation suivante. C'est exactement le comportement des cristaux de tétraborures de terres rares, et les physiciens n'ont pas compris pourquoi pendant des décennies.

Le champ magnétique dans un plasma évoque un film de savon tendu : la pression interne le gonfle, tandis que la tension superficielle le resserre et lui donne sa forme. Ici, c'est pareil : les forces magnétiques de pression et de tension s'équilibrent.

La paume au-dessus d'une plaque chauffante sent la chaleur, même lorsque l'air autour semble frais. Quelque chose de similaire se produit avec les électrons dans l'effet Aharonov-Bohm : la particule ressent la tension électrique, même si elle entre dans une région où le champ est déjà éteint.

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.

Si l'on jette un glaçon dans un verre d'eau, il flottera jusqu'à ce qu'il fonde. Mais si l'on refroidit lentement l'eau, à un moment donné elle se prend entièrement en glace d'un coup — c'est une transition de phase de première espèce : brutale, avec une frontière nette.

Dans une salle vide, le son rebondit entre les murs et se transforme en écho grondant. La cavité optique est une chambre d'écho, mais pour la lumière.

Un réseau triangulaire dont les nœuds sont occupés par de minuscules aiguilles magnétiques. Sur ce réseau se déplacent des électrons, porteurs de courant. En général, les aiguilles s'alignent simplement : toutes dans la même direction (ferromagnétique) ou en alternance dans le plan.

Dans le cristal HfTe5, les électrons se comportent presque comme la lumière : leur masse est si faible qu'ils obéissent aux lois de la relativité. Si l'on place un tel cristal dans un champ magnétique intense, les électrons se mettent à tourner sur de petites orbites.

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est des centaines de millions de fois plus intense que celui de la Terre. Si l'on approchait un aimant ordinaire d'un tel champ, il serait instantanément démagnétisé, et les atomes s'étireraient en de fins filaments.

Le monde quantique aime l'ordre, mais la réalité apporte souvent le désordre. Dans ces travaux, des physiciens étudient des chaînes unidimensionnelles de spins — de minuscules aiguilles magnétiques qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas.

Une feuille de carbone d'une épaisseur d'un seul atome est placée dans un champ magnétique intense et refroidie à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Un microscope à micro-ondes glisse le long du bord de la feuille et mesure à quel point ce bord conduit l'électricité.

Une feuille de graphène est un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles. Les électrons y filent si vite qu'on dirait qu'ils n'ont pas de masse, comme la lumière. Quand une impulsion laser puissante frappe cette feuille, les électrons reçoivent un coup de pied et commencent à accélérer.