hélium liquide

Dans la chambre sombre du piège, des milliers de particules chargées dansent sous l'effet des champs électriques. Au début, elles se déplacent librement, comme une foule sur une place, mais dès qu'on refroidit le nuage, la danse ralentit : les ions commencent à se sentir mutuellement, leurs pas deviennent contraints.

La scène est baignée d'une lumière glaciale, et des spectateurs en silicium y sont alignés. Chacun est une matrice de minuscules diodes à avalanche, capables de détecter un photon unique, mais seulement si la température ambiante descend à 165 K.

Fini le bain glacé, place à une chemise gazeuse chaude. C'est ainsi que l'on refroidit désormais le comparateur cryogénique de courant à l'Institut national de métrologie du Japon. Auparavant, cet appareil, qui compare les courants électriques avec une précision de l'ordre du milliardième, nécessitait une immersion dans l'hélium liquide.

Dans le nuage froid TMC-1, où la température ne dépasse pas dix degrés au-dessus du zéro absolu, les molécules se rencontrent rarement. Mais de temps en temps, un atome d'hélium les traverse, et ce bref contact suffit pour que la molécule modifie sa rotation.

Un traducteur universel pour tous les dialectes du sodium. Le sodium liquide dans un réacteur se comporte différemment : près de la paroi du tube, il est dense et rapide ; à la surface d'ébullition, il est raréfié et lent. Autrefois, chaque état exigeait un ensemble de calculs distinct, comme si l'on engageait un nouveau traducteur pour chaque phrase.

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

Une boule de billard est suspendue en l'air. De petites billes sont tirées sur elle depuis un tube soufflant. Chaque impact est à peine perceptible, mais si la boule est très légère et ne tremble presque pas à cause de la chaleur, on peut distinguer les chocs individuels.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse — une partie de l'énergie est perdue. Le supraconducteur n'a pas ce défaut : l'électricité y circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Le problème, c'est que la plupart des supraconducteurs fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression colossale — comparable à celle des profondeurs planétaires.

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.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

La rivière se divise en deux bras. L'un est large et rapide, l'eau y coule en douceur, mais avec l'augmentation de la température, le courant ralentit : des tourbillons et des vagues apparaissent. Le second bras est étroit, avec des rapides, où l'eau saute de pierre en pierre. Ce flux, au contraire, devient plus vif avec la chaleur.

L'espace vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Selon la théorie quantique, le vide est rempli de particules qui naissent et disparaissent continuellement.

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

Le Soleil est un réacteur nucléaire géant qui nous envoie sans cesse lumière et chaleur. Mais il possède aussi une autre messagerie, presque silencieuse : chaque seconde, des dizaines de milliards de neutrinos traversent un centimètre carré de votre paume — des particules fantômes nées dans la fournaise thermonucléaire.

Un sandwich où, au lieu du pain, on trouve des couches d'oxyde de cuivre, et entre elles, une fine couche d'ions strontium. C'est le cuprate à couches infinies, la variante la plus simple de la céramique supraconductrice, imaginée il y a près de 40 ans.

Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

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.

Une immense marmite de soupe bouillonnante s'étend sur des millions d'années-lumière. C'est l'atmosphère de l'amas de galaxies de Persée, un nuage de gaz incandescent maintenu par la gravité.

Le cristal qui promettait de conduire le courant sans perte à température ambiante s'est révélé fragile comme un château de cartes : touchez-le, il s'effondre.

Un morceau de métal chauffé à blanc dans un four, c'est comme une poêle sur la cuisinière : plus la chaleur est forte, plus elle se propage vite dans votre main si vous la touchez.

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

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.

Fine comme une toile d'araignée, une pellicule de cinq métaux a encaissé le choc du laser. À l'intérieur, la pression a grimpé jusqu'à 55 gigapascals — c'est comme si cent éléphants se tenaient sur un ongle. L'alliage a tenu le coup et s'est comprimé pendant une fraction de nanoseconde, sans se briser.

Une fine couche de semi-conducteur à basse température se comporte comme une casserole de miel : les électrons n'y circulent pas individuellement, mais comme un liquide épais. Si l'on fait passer un courant alternatif à travers une telle couche, la résistance répond par une courbe lisse.

L'hydrogène est le champion de l'énergie par kilogramme, mais le stocker est une vraie galère. Sous forme de gaz, il occupe un volume énorme, et si on le comprime ou le refroidit pour le liquéfier, il faut des bouteilles lourdes et beaucoup d'énergie.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Les matériaux quantiques sont comme des fleurs capricieuses : ils ne s'épanouissent que dans le froid. À température ambiante, ils cachent leurs propriétés inhabituelles, mais lorsqu'ils sont fortement refroidis, ils deviennent supraconducteurs ou changent de comportement magnétique.

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.

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.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.

Un faisceau de rayons X tombe sur un morceau de supraconducteur, et celui-ci s'échauffe à peine. Cet échauffement, de l'ordre du milliardième de degré, est la seule trace laissée par la lumière. Le nouveau détecteur capte précisément cette chaleur, comme un thermomètre sensible posé sur un métal froid.

Une cage de soixante atomes de carbone, semblable à un ballon de football, laisse entrer de petites molécules. Les fullerènes, ces billes de carbone, sont empilés en cristal comme des oranges dans une caisse — il reste des vides entre eux.

Une fine pellicule de nitrure de silicium est tendue sur un cadre, comme la peau d'un tambour. Au moindre choc des molécules de gaz, elle tremble. Un faisceau laser, guidé par une fibre de verre, perçoit ce tremblement et le convertit en une valeur de pression. L'ensemble tient dans une poche, et non sur une table optique.

Un ordinateur quantique est une machine où, au lieu de bits ordinaires, ce sont des qubits qui travaillent. Un qubit peut être non seulement un zéro ou un un, mais aussi les deux à la fois. Une façon de fabriquer un qubit est de prendre un électron et de le faire planer au-dessus d'une surface d'hélium liquide.