température de l'hélium liquide

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.

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.

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.

Dans les entrailles des sub-Neptunes, ces planètes les plus nombreuses de la Galaxie mais sur lesquelles on ne peut pas se tenir, le magma silicaté et l'hydrogène se mélangent en un cocktail supercritique unique.

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.

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.

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.

Une puce électronique de la taille d'un ongle dégage autant de chaleur qu'une petite ampoule. Évacuer cette chaleur, c'est comme vider un verre de thé brûlant avec une cuillère à café : le matériau isolant autour des transistors conduit généralement mal la chaleur.

Une bouilloire qui bout sur la cuisinière finit par s'évaporer complètement — de même, selon les idées classiques, un trou noir devrait peu à peu disparaître dans un sifflement de rayonnement. Mais que se passerait-il si l'on ajoutait un ingrédient spécial à la bouilloire ?

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

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'eau n'est pas qu'une substance mouillée. À l'échelle des picosecondes, elle ressemble à une piste de danse où les molécules ne cessent de rompre et de créer des liaisons entre elles. Habituellement, cette danse est décrite par un mouvement principal : la relaxation collective, comme si toute la foule ralentissait d'un coup après l'arrêt de la musique.

Un potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

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.

Dans une casserole de soupe, chaque grain est un minuscule aimant qui veut s'orienter à l'opposé de son voisin. Chauffez la soupe, et les petits aimants se mettent à s'agiter, obéissant à la chaleur. Mais comment savoir à quel point ils sont turbulents à chaque température ? Pour un matériau ordinaire, on le calcule sur des ordinateurs puissants en énumérant les possibilités.

Une bouilloire ordinaire : on chauffe — la température monte, et avec elle le désordre des molécules, la vapeur s'échappe. Mais en laboratoire, on a créé une « bouilloire » inhabituelle — un trou noir analogique fait de circuits supraconducteurs refroidis à l'extrême.

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.

Le plutonium est un métal au caractère bien trempé. L'une de ses formes se contracte lorsqu'on la refroidit, une autre gonfle. Mais à température ambiante, l'alliage se comporte étrangement : la règle indique une chose, les rayons X en montrent une autre.

Un supraconducteur ne laisse pas pénétrer le champ magnétique en son sein. Mais si le champ est intense, il finit par s'infiltrer — non pas en un flux continu, mais en filaments de vortex individuels, semblables à de petites tornades. À l'intérieur de chaque filament, la supraconductivité est détruite, et autour circule un courant qui ne s'atténue pas.

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.

Une casserole en aluminium sur la cuisinière fond à 660 degrés Celsius, tout le monde le sait. Mais que se passe-t-il si on chauffe l'aluminium cent fois plus fort ? Le liquide se met à bouillir, et c'est là que le mystère commence : à quelle température exactement ?

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

Un cuisinier le sait : que la pâte colle ou non à la poêle dépend de ce qui se passe à la frontière entre deux milieux. Pour les métaux en fusion, cette frontière est longtemps restée invisible — au-dessus de 200 °C, impossible de distinguer des atomes individuels.

Dans un cristal, les électrons se comportent parfois comme une foule dans un stade qui crée une « vague » : des zones de plus forte densité succèdent à des zones presque vides. Cette onde bloque la libre circulation des charges — dans des conditions normales, le matériau n'est pas supraconducteur. Mais il suffit d'appliquer une pression pour que l'onde disparaisse et que les électrons se déplacent sans perte.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais si le chef d'orchestre lève trop fort sa baguette, les instruments les plus délicats se désaccordent à cause de la chaleur excessive.

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.

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.

Dans un cristal solide, semblable à un gâteau en couches d'atomes de lanthane, d'oxygène et d'hydrogène, l'électricité n'est pas transportée par des électrons, mais par les ions hydrogène eux-mêmes. Habituellement, un ion dans un cristal reste dans sa cellule, comme un petit pois dans sa cosse, et ne saute que rarement dans une cellule voisine vide.

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 bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes inaccessibles aux machines classiques, mais leur cœur — les qubits — exige des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.

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.

Une couche d'électrons confinée entre deux plaques de semi-conducteur s'aligne à basse température en un réseau bien ordonné — comme des perles sur un fil tendu entre les doigts. Dès que la température monte, l'ordre s'effondre : le cristal fond. Mais comment il fond exactement est longtemps resté une énigme.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.