fluctuations de phase

Au cœur d'une étoile à neutrons, où la matière est comprimée à la densité du noyau atomique, les neutrons forment un liquide superfluide et les protons un supraconducteur. Un vortex de neutrons est un vortex quantifié dans le superfluide, semblable à un minuscule tourbillon qui ne peut pas s'arrêter.

Une piste de danse vide, où quelques personnes apparaissent de temps en temps. Chacun se déplace à sa guise, de manière chaotique, sans aucun lien avec les autres. Mais dès qu'on met une certaine musique et qu'on refroidit un peu la salle, les danseurs se mettent soudain à s'aligner en longues chaînes et à bouger à l'unisson. C'est à peu près ce que font les électrons dans un gaz tridimensionnel raréfié.

Un gaz superfluide, c'est comme une foule qui marche au même pas : chaque atome sait où aller et ne dévie pas du rythme commun. Mais cette foule a trois « vallées » — trois directions différentes qu'elle peut prendre.

Goutte à goutte du robinet — ou jet régulier sans une seule éclaboussure. C'est à peu près ainsi que se présentent les deux régimes de courant dans un contact supraconducteur. Seulement, au lieu de l'eau, ce sont des paires de Cooper — des électrons liés qui se déplacent sans résistance.

À l'aube des temps, l'Univers a connu un bref instant d'expansion effrénée : l'inflation. Les infimes frémissements quantiques de l'espace-temps ont été étirés jusqu'à des échelles cosmiques.

Un film mince d'un cristal particulier, comme le disulfure de molybdène, repose sur une platine. La température est légèrement supérieure à celle à laquelle le matériau devient supraconducteur.

Les mondes bidimensionnels ne cessent de surprendre : ici, même la fusion d'un cristal n'est pas une rupture de symétrie, mais un spectacle de vortex, découvert par Kosterlitz et Thouless. Au cœur de ce théâtre se trouvent des singularités topologiques, dont l'énergie et l'entropie négocient l'ordre.

Un orchestre d'électrons bien coordonné dans un supraconducteur est facile à désaccorder. Les chocs thermiques détruisent l'ordre fragile, et la résistance revient. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des moyens de renforcer cet ensemble — principalement en modifiant la composition du matériau ou en le comprimant à des pressions inimaginables.

Une fine couche d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre chauffe sous un flux de rayons infrarouges — et soudain, elle cesse de dissiper de l'énergie. C'est la supraconductivité : les électrons s'associent en paires et se déplacent comme un essaim quantique unifié.

Le monde quantique est plein de surprises. Dans l'oscillateur paramétrique de Kerr — un dispositif où la lumière est piégée dans un anneau et excitée par un champ externe — on a récemment observé une chose étrange : des paires de niveaux d'énergie fusionnent dans une étreinte. Les physiciens ont appelé cela le « baiser spectral » spectroscopie.

À l'aide de la spectroscopie laser — une méthode que l'on peut comparer à l'écoute de l'écho d'un cristal — les physiciens ont étudié un matériau en couches. Ils ont trouvé des zones où les électrons se déplacent librement (les poches de Fermi) et ont remarqué que chacune de ces zones se comporte différemment.

Un essaim de lucioles ne se heurte presque jamais, mais change de couleur de manière synchrone en échangeant des signaux. C'est ainsi que se comportent les neutrinos dans les flux denses provenant d'étoiles en effondrement : ils se transforment collectivement d'un type à un autre, alors qu'individuellement ils interagissent très faiblement.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

Une balançoire peut se balancer fortement ou à peine perceptible. Habituellement, si on n'y touche pas, elle reste dans le mode choisi. Mais dans le monde microscopique, c'est différent : une minuscule membrane, oscillant sous l'effet d'un faisceau laser, peut spontanément sauter d'une amplitude à une autre.

Deux fines feuilles sur lesquelles sont dessinées des alvéoles sont superposées puis légèrement pivotées. Un nouveau motif apparaît : un moiré, semblable aux reflets de la soie. C'est à peu près ce que font les électrons dans l'expérience : ils s'organisent en deux couches, et l'une se retrouve pivotée de 30 degrés exactement par rapport à l'autre.

Dans l'hélium superfluide, le frottement visqueux disparaît — le liquide s'écoule comme un torrent de montagne, mais sans le moindre tourbillon, manifestant un effet quantique macroscopique.

Un gaz superfluide se comporte comme un liquide sans frottement. Deux nuages de ce gaz sont reliés par un pont étroit, et un flux de particules le traverse. Cela rappelle l'effet Josephson dans les supraconducteurs, sauf qu'ici ce sont des atomes neutres au lieu d'électrons.

Des centaines de personnes sur une piste de danse se tiennent à égale distance les unes des autres — un ordre strict, comme dans un réseau cristallin. La musique lente représente les vibrations thermiques, qui font doucement tanguer les danseurs. Si la musique devient plus forte et plus rapide, l'ordre s'effondre : tout le monde se mélange.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

Le neurone perçoit les signaux électriques à la manière d'un microphone hypersensible qui capterait les moindres vibrations.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas traiter. Mais leurs composants – les bits quantiques – sont très sensibles. Une variante de ces bits est un circuit oscillant qui peut se trouver dans deux états, comme un pendule qui oscille à gauche ou à droite.

Un film semi-conducteur d'un atome d'épaisseur est comme une membrane finement tendue. La lumière le fait briller : des points lumineux (excitons) naissent puis s'éteignent rapidement. Là où la membrane est déchirée ou froissée, la lueur tremble et s'interrompt — comme une corde avec un nœud sonne faux.

Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

Le plasma chaud dans un tokamak ressemble à un animal capricieux : il faut le contenir tout en évitant qu'il ne surchauffe. Dans le réacteur ASDEX Upgrade, on a trouvé un régime où les tourbillons du plasma résolvent eux-mêmes ce problème.

Devant l'onde de choc que la Terre crée dans le vent solaire, apparaissent parfois de gigantesques bulles de gaz raréfié. À l'intérieur, la densité de particules chute de plusieurs fois, et les champs électriques se mettent à vibrer comme une corde pincée.

Un supraconducteur ordinaire perd sa résistance lorsqu'on le refroidit, et le courant y circule sans pertes. Mais dans les films ultraminces, tout est différent : le matériau oscille entre l'état normal et l'état supraconducteur, et dans cet intervalle apparaissent d'étranges vagues de résistance.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit doit jouer sa note sans fausser. Mais de temps en temps, un passant — une particule de radiation venue du cosmos — fait irruption dans la salle et fait perdre le rythme aux musiciens.

Dans certains matériaux, le courant électrique circule sans la moindre résistance. Ce sont les supraconducteurs, et ils ne fonctionnent que par grand froid. Les oxydes de cuivre sont un cas particulier : ils conservent la supraconductivité à des températures plus élevées, mais pourquoi ?

Dans une cuve de la taille d'une pièce de monnaie, la lumière se comporte comme de l'eau : elle se rassemble en un fluide quantique unique. Lorsqu'on y ajoute de l'énergie, des entonnoirs se forment spontanément dans ce fluide – ce sont des tourbillons quantiques. Chaque tourbillon ressemble à un petit maelström qui ne peut pas disparaître sans laisser de trace.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Un fil ordinaire à haute fréquence ressemble à une route pleine de nids-de-poule : le signal saute, une partie de l'énergie se dissipe en chaleur. Une chaîne supraconductrice en aluminium et en arséniure d'indium (un semi-conducteur) s'est révélée être une piste lisse pour les micro-ondes.

Toute machine, qu'il s'agisse d'un moteur de voiture ou d'un minuscule nanoréfrigérateur, fonctionne avec des tremblements. Le carburant brûle de manière irrégulière, les électrons traversent les contacts sans respecter d'horaire – et l'aiguille de puissance sur les instruments vibre légèrement. Ces vibrations sont appelées fluctuations.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

Dans le cristal TiSe2, les électrons se comportent comme des aiguilles de boussole qui se mettent soudainement à pointer dans la même direction. C'est ce qu'on appelle l'état nématique, par analogie avec les cristaux liquides, où les molécules s'alignent selon une direction commune, bien que le matériau reste liquide.

Dans un milieu fortement désordonné, les particules quantiques se comportent comme des danseurs exécutant des pas en parfaite synchronie : chacun connaît son mouvement et évite les collisions.

Un corps supersolide, c'est de la glace qui coule. Comme un étang pris par une croûte, mais avec des profondeurs liquides sans frottement. D'habitude, on fabrique cette croûte en modifiant les propriétés du liquide dans tout son volume.