nanocristal

Une ampoule ordinaire est soit allumée, soit éteinte. Mais les minuscules particules luminescentes – des nanocristaux dopés aux ions de terres rares – émettaient jusqu'ici une lumière continue, comme de petites lampes de poche. À l'intérieur d'un tel cristal, des milliers d'ions émetteurs sont présents, et même si l'un d'eux « se fatigue », les autres continuent de briller.

La matière noire n'émet pas de lumière et ne la réfléchit pas, mais sa présence se trahit par des effets gravitationnels. Pour attraper ne serait-ce qu'une particule, les physiciens construisent des détecteurs semblables à des pièces très silencieuses : à l'intérieur reposent des cristaux qui scintillent lorsqu'une particule les frappe.

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 mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Un solide vu au microscope n'est pas du tout un monolithe. Dans un verre, un polymère ou une résine figée, les atomes sont disposés de manière désordonnée, et de ce fait les propriétés du matériau varient d'un point à l'autre. À grande échelle, nous avons l'habitude de les décrire par des champs lisses, comme la température ou la pression dans une pièce.

Un laser classique est une cavité où la lumière rebondit entre deux miroirs en s'amplifiant. Mais on peut supprimer les miroirs et faire circuler la lumière dans une particule minuscule, plus petite que la longueur d'onde elle-même.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent dans toutes les directions. Jetez une poignée de pierres d'un coup, et les cercles se superposent : on ne distingue plus qui a fait quoi. C'est à peu près ce à quoi ressemble un faisceau de neutrons arrivant sur un détecteur : une tache lumineuse, floutée par de nombreuses causes.

Le faisceau d'une lampe de poche traversant un verre dépoli se transforme en une tache floue à chaque millimètre d'épaisseur supplémentaire. C'est à peu près ce qui se passe avec les scintillateurs, ces matériaux qui convertissent les rayons X en lumière visible.

Le sel de table relève le goût des plats en cuisine, mais en laboratoire, il aide à faire pousser des cristaux épais de quelques atomes. Des scientifiques ont utilisé du séléniure d'étain et, grâce au sel, ont obtenu de très fines lamelles — si fines qu'on les qualifie de bidimensionnelles.

La photolithographie classique, utilisée pour fabriquer les puces, atteint ses limites : la lumière ne peut pas dessiner des détails plus petits que sa longueur d'onde. Ici, les chercheurs ont emprunté une autre voie. Ils ont d'abord créé de rares nervures verticales en oxyde, puis ont déposé dessus des couches d'oxyde d'aluminium d'un atome d'épaisseur.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

Les nanoparticules d'or dans un liquide ressemblent à de minuscules créatures vivantes : elles modifient sans cesse leur structure interne, comme si elles respiraient.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Un film mince de niobium et d'étain conduit le courant sans résistance, tant qu'on ne le rend pas vraiment trop mince. Alors, il devient soudainement isolant. Un groupe de physiciens a vérifié ce qui se passe si l'on ajoute un peu plus d'étain que ne le veut la formule.

Un électron dans un métal ressemble généralement à une personne à l'heure de pointe : il heurte constamment les autres et perd sa direction. Mais si l'on supprime les obstacles, il peut voler en ligne droite, comme une voiture sur une autoroute déserte la nuit. Ce mouvement est appelé balistique, du mot « baliste », une ancienne machine de jet qui envoyait une pierre sans entrave.

Le faisceau d'un laser traverse le verre et touche un mince film de diamant. Au point de contact, le film se transforme en une étroite bande qui se soulève légèrement. On place une deuxième bande de ce type à côté, et il reste entre elles un couloir vide. C'est cela, le canal : sa largeur peut être cinquante fois plus grande que sa hauteur, comme une feuille de papier posée sur une table.

Une plaquette de silicium, c'est comme une pâte à biscuits. On la chauffe au four, et à l'intérieur apparaissent de minuscules pépites : des défauts du réseau cristallin capables d'émettre des photons uniques.

Une minuscule lamelle de cristal repose sur un substrat, comme une feuille d'automne sur une paume. Son épaisseur est plus fine qu'un cheveu humain, et pourtant des effets quantiques bouillonnent à l'intérieur : supraconductivité, ordre magnétique, liquide de spin quantique.

Une poignée de nanocristaux de sulfure de plomb, recouverts de molécules chargées, s'organise spontanément en un réseau cristallin parfait. Chaque nanocristal est comme une brique de quelques nanomètres, et les molécules chargées à sa surface jouent le rôle de mortier.

On peut piéger la lumière dans un piège plus petit qu'un grain de poussière. Les cristaux photoniques sont des réseaux qui empêchent la lumière de se disperser et la forcent à tourner en rond. Auparavant, ces structures étaient cultivées sur un substrat massif et étaient trop encombrantes pour les cellules vivantes.

Le champ magnétique nous entoure partout : de la boussole dans nos téléphones à l'IRM à l'hôpital. Pour le mesurer avec une grande précision, il faut des matériaux spéciaux qui réagissent aux moindres variations du champ.

Dans le matériau NaAlSi, les électrons, lorsqu'ils sont refroidis, forment une ondulation éphémère — des stries qui apparaissent et disparaissent, comme les motifs que le vent dessine sur l'eau. Ces stries s'entrelacent avec la supraconductivité, cet état où le courant circule sans résistance.

Les cristaux de pérovskite sont des blocs de construction dans lesquels les atomes de métal et d'halogènes s'assemblent en un réseau ordonné. Remplacez un halogène par un autre, et le cristal se met à émettre une lumière d'une couleur différente.

Dans le monde des micropuces, où les flux de photons — les quanta de lumière — transportent l'information, se pose un problème fondamental : la lumière, en traversant la matière, la chauffe inévitablement. Cette chaleur engendre des fluctuations thermiques — des secousses chaotiques et imprévisibles des atomes qui perturbent le fonctionnement précis de l'appareil.