non-linéarité

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.

Imaginez un interféromètre comme une oreille géante qui écoute le murmure radio d'une galaxie lointaine. Trois antennes, disposées sur des continents différents, captent le signal, et la différence de leurs phases se combine en une quantité indépendante des tremblements de l'atmosphère.

Un météorologue trace une épaisse ligne noire à travers toute l'Europe : au nord, le gel ; au sud, le dégel. Cette frontière — l'isotherme zéro — ne vous dira pas quelle température il fait à Stockholm ou à Rome, mais elle vous dira honnêtement où l'hiver se termine.

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.

La bobine de Tesla crépite, et un faisceau lumineux commence à tourner autour d'elle. Le milieu qu'il traverse est encore stable — mais le champ augmente, et la rotation s'intensifie. Ce n'est pas un tour de magie, mais le comportement de matériaux particuliers : ils couplent électricité et magnétisme.

Au centre de presque chaque grande galaxie se cache un trou noir supermassif, dont l'abîme gravitationnel a été décrit mathématiquement pour la première fois par Karl Schwarzschild. Lorsqu'il avale du gaz, naît un noyau actif éblouissant — un quasar.

Une cavité micro-onde ordinaire ressemble à une boîte à musique : elle ne répond qu'à des fréquences bien précises — ses propres notes. Mais que se passerait-il si on la faisait sonner autrement ? Des scientifiques ont changé les règles du jeu en rendant les parois « unidirectionnelles ». À l'intérieur d'une telle cavité, l'onde ne peut courir que vers l'avant, sans se réfléchir en arrière.

Sur un drap tendu court un pli solitaire — une dénivellation abrupte qui ne s'étale pas, mais se déplace comme un tout. Les physiciens appellent ce pli un « kink ». Si l'on tire brusquement sur le drap en un point, une ondulation se propage. Mais dans certains milieux, cette ondulation ne se disperse pas : elle se rassemble en une masse qui tremble sur place pendant des dizaines, voire des centaines de cycles.

Imaginez un manège avec deux types de sièges : les uns tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, les autres dans le sens inverse. Si on pousse tous les sièges d'un coup, le manège tressaute mais reste sur place.

Une lampe de poche ordinaire éclaire aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Mais dans les cristaux magnétiques naît un axion — une excitation fantomatique, semblable à une vague qui parcourt un stade : les atomes se transmettent une impulsion magnétique.

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.

Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

La lumière se comporte d'habitude comme un piéton sur une rue à double sens : le trajet de la lampe à la caméra est le même que dans l'autre sens. Mais pour un trou noir en rotation avec une symétrie spatiale brisée, cette rue devient à sens unique.

La lumière émise par de fines couches de semi-conducteurs peut être polarisée : ses ondes oscillent dans un même plan. On pensait auparavant que la direction des oscillations était imposée par l'éclairage de l'échantillon.

Un flux d'électrons pénètre dans le plasma comme un jet d'eau frappe un étang calme. Le jet perturbe la surface, créant des vagues qui croissent rapidement et mélangent l'eau. Dans le plasma, ce processus est appelé instabilité de Buneman : le faisceau d'électrons excite des oscillations qui dissipent ensuite son énergie.

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 robinet dont l'eau ne coule pas en jet mais strictement goutte à goutte — c'est ainsi que l'on peut décrire la source de photons uniques dont parlent les auteurs. Dans la lumière ordinaire, les photons volent en foule, comme l'eau d'un robinet ouvert.

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.

En général, le courant circule de la même manière dans les deux sens en l'absence d'aimant. Le champ magnétique ou un matériau magnétique brise cette symétrie : les électrons commencent à préférer une direction. Mais dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont trouvé un moyen de se passer d'aimants.

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.

Dans l'eau ordinaire, les ondulations provoquées par une pierre jetée se propagent en cercles concentriques réguliers. Mais imaginez un liquide dont les molécules ressemblent à de minuscules vis à filetage droit. Dans un tel milieu, la surface agit comme une route à sens unique : les vagues ne peuvent se propager que dans une direction déterminée.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

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.

Deux minuscules émetteurs, chacun de la taille d'un atome, peuvent ensemble accomplir ce qu'ils ne pourraient pas faire séparément. Il s'agit de la diffusion de la lumière — lorsque la lumière frappe des particules et se disperse dans toutes les directions. En général, une paire de particules ne diffuse la lumière que légèrement plus qu'une seule.

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.

Selon les lois de la physique, rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, sinon, pour certains observateurs, l'effet se produirait avant la cause. Artur Ekert et Andrzej Dragan ont montré qu'une telle situation engendre une incertitude qui rappelle le hasard quantique.

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.

Un tourniquet ne laisse passer que dans un sens, et en arrière, pas un pas. Les physiciens ont appliqué un principe similaire sur une minuscule puce semi-conductrice pour des photons uniques, les particules de lumière.

Des lunettes à verres plans montrent un monde symétrique : la montée et la descente, le chaud et le froid paraissent identiques. Pendant des décennies, les climatologues ont observé El Niño à travers de telles lunettes, les modèles inverses linéaires.