optique non linéaire

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Deux vases communicants reliés par un tube finissent généralement par avoir le même niveau d’eau. Ici, les vases se mettent à osciller tout seuls parce que chacun a une fuite, et ces fuites sont différentes. La lumière dans deux creux d’un micro-miroir se comporte de la même façon : les photons s’écoulent d’un puits à l’autre, mais se perdent à des vitesses différentes.

Un détecteur supraconducteur fonctionne généralement comme une règle honnête : il absorbe un photon et émet une impulsion dont l'amplitude est strictement proportionnelle à l'énergie. Ce mode est pratique, mais il a une limite : un signal faible se perd facilement dans le bruit de l'amplificateur.

Dans une pièce sombre, une étincelle jaillit entre deux fils — et l'instant d'après, il fait clair. Les physiciens ont fait quelque chose de semblable, mais un million de fois plus petit : à la frontière de deux cristaux transparents, ils ont tracé une piste conductrice et y ont laissé une coupure large de quelques atomes.

Une éponge que l'on arrose lentement avec un arrosoir s'imbibe entièrement. Mais si l'on y jette le même seau d'eau d'un coup, le centre sera mouillé tandis que les bords resteront presque secs. C'est à peu près le comportement d'un matériau qui absorbe l'énergie de manière non linéaire : plus le flux est intense, plus il reste piégé au point d'impact.

Un faisceau lumineux se déplace généralement en ligne droite, mais on peut le faire tourner autour de son axe, comme l'eau qui tourbillonne dans un entonnoir lorsqu'elle s'écoule. Cette lumière « vortex » transporte davantage d'informations et est indispensable pour les communications ultra-rapides et le calcul quantique.

Un faisceau laser faible tombe sur une minuscule structure — une cavité hybride en métal et en verre. À l'intérieur est piégée une seule molécule fluorescente. D'ordinaire, une telle lumière ne fait que légèrement changer de couleur en se diffusant sur les vibrations thermiques des atomes.

En 1981, Alan Guth a proposé le scénario de l'inflation cosmologique — une expansion fulgurante de l'espace qui a étiré les fluctuations quantiques jusqu'à l'échelle de galaxies entières.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges ultra-compacts d'étoiles, où la matière est compressée à la limite décrite par Subrahmanyan Chandrasekhar.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un corps massif comme un trou noir, sa trajectoire se courbe — un phénomène prédit par Einstein.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Un film mince pour panneau solaire ou écran, c'est comme une foule dense sur une place : chaque personne est tournée dans sa direction, et de la direction de tous dépend si la lumière traversera la foule ou restera bloquée. Dans l'électronique organique, les molécules jouent le rôle des passants.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais chaque galaxie ressent son attraction. On se l'imagine souvent comme une mer de particules identiques et silencieuses. La nouvelle étude dresse un tableau plus vivant : deux sortes de particules, lourdes et légères, en échange constant.

Une feuille ordinaire de phosphore noir ressemble à un gâteau en couches d'atomes. Si on l'éclaire avec une lampe classique, rien de particulier ne se produit : les électrons restent bien en place, comme des spectateurs dans une salle obscure. Mais une brève impulsion laser, durant des millionièmes de milliardième de seconde, secoue cette salle.

Une lentille ordinaire réfracte toujours la lumière de la même manière. Ses propriétés sont figées dans le verre pour toujours. Mais voici qu'apparaît une surface qui change les règles du jeu en pleine action. Des scientifiques ont fabriqué un film extrêmement mince avec des éléments résonants et l'ont imprégné de cristaux liquides — la même substance que celle des écrans de téléphone.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Le cristal de séléniure de bismuth (Bi₂Se₃) est en soi symétrique, comme un sandwich soigneusement assemblé : retournez-le, et rien ne change. Mais il suffit de faire légèrement pivoter une couche par rapport à l'autre pour que la symétrie se brise. Le matériau se met alors à « sentir » d'où vient la lumière et répond par un courant électrique.

Un minuscule pont de diamant vibre si fort qu'il se met à « chanter » sur de nombreuses fréquences à la fois. Auparavant, de telles oscillations se freinaient d'elles-mêmes : plus le résonateur s'agitait, plus il était difficile de lui ajouter de l'énergie. Les physiciens ont trouvé une faille dans cette règle.

Une rivière coule dans un sens, mais les vagues à sa surface se déplacent dans l'autre. Ce même dédoublement se produit dans les matériaux hyperboliques : l'énergie de l'onde lumineuse et ses fronts divergent, empêchant la création d'une lentille nette.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille d'une mégapole compressée en un petit astéroïde. Autour d'elle bouillonne un plasma — un gaz de particules chargées — à travers lequel courent des ondes, comme des rides à la surface d'un étang.

Un morceau de semi-conducteur ordinaire ne change que faiblement la couleur de la lumière qui le traverse. Pendant des décennies, les physiciens ont contourné cette limitation en plaçant le cristal dans un environnement astucieux, mais le matériau lui-même restait le même.

Un laser à fibre à rétroaction aléatoire est un fil de verre très fin dans lequel la lumière se propage, mais se réfléchit non pas sur des miroirs, mais sur les infimes irrégularités de la fibre elle-même. Un tel laser ne produit pas un faisceau régulier : sa lumière tremble et scintille, comme la flamme d'une bougie dans un courant d'air.

Deux faisceaux lumineux — rouge et bleu — entrent dans un minuscule anneau de nitrure de silicium. L'anneau est plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. À l'entrée, les deux faisceaux sont également brillants.

En mécanique quantique, certains états défient l'intuition : leurs distributions de probabilité deviennent négatives, comme des mirages qui ne laissent que des indices indirects.