interféromètre de Mach-Zehnder

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

Dans un détecteur d'ondes gravitationnelles, la lumière parcourt des tunnels de plusieurs kilomètres en se réfléchissant sur des miroirs. Un faisceau parfaitement régulier ressemble à un drap lisse tenu par les coins.

Deux photons se rencontrent sur une lame semi-réfléchissante. S'ils arrivent strictement en même temps, ils ressortent toujours ensemble, côte à côte, comme des jumeaux qui refusent de se séparer. Cet effet, découvert en 1987, est devenu la base d'une règle quantique pour mesurer de minuscules retards.

Un laser ressemble à un diapason qui vibre sur une seule note. Mais même dans un silence total, son son tremble légèrement. On pensait auparavant que ce tremblement – les secousses aléatoires dues à l'émission spontanée de lumière par les atomes à l'intérieur du laser – était la principale limite de précision.

Un faisceau de lumière entre dans un verre trouble et s'éteint — c'est courant. Mais les physiciens savent depuis longtemps faire passer la lumière à travers sans perdre un seul photon. Cette astuce s'appelle la transparence électromagnétiquement induite : deux ondes lumineuses s'annulent mutuellement au bon endroit, et l'absorption disparaît.

Jetez deux cailloux dans un étang en même temps : les ondulations se propagent de manière régulière et coordonnée. C'est le principe de l'interféromètre quantique : on divise une particule en deux ondes qui suivent des chemins différents puis se rejoignent. Idéalement, leurs crêtes coïncident.

La lumière est par nature symétrique : dans un canal ouvert, elle se propage dans les deux sens avec la même intensité. Pour la faire avancer principalement dans une direction, les physiciens ont traditionnellement recours aux champs magnétiques.

Un appareil de radiographie à grilles ne prend pas une, mais trois photos d'un coup : un cliché classique, une carte des courbures invisibles du faisceau et une image des structures minuscules qui diffusent la lumière. Ensemble, elles aident à repérer, par exemple, l'emphysème ou la fibrose pulmonaire. Mais il y a un hic : pour séparer ces trois couches, il faut une astuce mathématique.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

Dans chaque cellule se trouvent de minuscules centrales énergétiques : les mitochondries. Elles brûlent les nutriments et stockent l'énergie. Deux molécules auxiliaires, le NADH et le FAD, supervisent ce processus. Auparavant, on les repérait grâce à une faible luminescence, mais celle-ci était ténue et les signaux des différentes molécules se mélangeaient.

Les atomes d'un faisceau se déplacent à différentes vitesses, comme des coureurs sur un stade. Une impulsion laser ordinaire ne pousse que ceux qui courent à une seule vitesse, tandis que la nouvelle agit comme un entraîneur qui donne des ordres à tout le groupe à la fois. Cette approche implique davantage d'atomes dans la mesure.

Les ordinateurs et capteurs quantiques fonctionnent à des fréquences micro-ondes, mais pour transmettre leurs signaux sur de longues distances, on utilise la fibre optique, qui emploie la lumière.

Une boîte quantique, c'est comme une lampe unique qui s'allume et s'éteint sur commande d'un laser, émettant exactement un photon à la fois. Mais cette lumière a une particularité : les photons ne s'entendent pas entre eux, ils volent indépendamment, comme des gouttes aléatoires d'un robinet.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

La lumière infrarouge d'une longueur d'onde d'environ trois micromètres est la plage de travail pour l'identification des molécules : chaque molécule absorbe la lumière à ses fréquences caractéristiques, laissant des « empreintes digitales ».

Le pointeur laser éclaire d'une tache régulière : toutes ses ondes lumineuses marchent au pas, comme des soldats en parade. On appelle cette lumière cohérente. Mais dans la nature et dans la technique, on rencontre une autre lumière — « ébouriffée », dont les ondes ne sont pas synchronisées, comme une foule sur un marché. On l'appelle partiellement cohérente.

Dans une pièce sombre, deux lampes de poche éclairent un même mur. En général, leurs faisceaux se superposent simplement, et la tache devient plus lumineuse. Mais si les lampes émettent la lumière par paquets discrets – les photons –, dans certaines conditions, elles peuvent se comporter autrement.

On peut faire en sorte que la lumière d'une même source « se rencontre » elle-même, et alors des franges apparaissent sur l'écran, comme les ondulations provoquées par deux cailloux jetés dans l'eau.

La théorie de la gravité d'Einstein — la relativité générale — ne rencontre presque jamais la physique quantique dans des expériences directes. Ici, les scientifiques ont construit sur une table un labyrinthe de 50 km de verre et y ont envoyé des photons uniques.

Nous avons l'habitude : le temps ne s'écoule que vers l'avant. Mais les lois quantiques lui permettent de ressembler à une pièce qui montre pile et face en même temps. Prenez une particule avec une rotation propre — son spin. Dans un champ magnétique, elle tourne comme une toupie.

En photométrie (mesure de la lumière), il a longtemps été impossible de détecter des photons micro-ondes individuels, leur énergie étant comparable à l'agitation thermique des atomes.