transition de phase

Les électrons dans un film ultra-pur d'arséniure de gallium se comportent comme une foule à un carrefour, où la direction est dictée par l'inclinaison du champ magnétique. À inclinaison nulle, ils forment un liquide compressible de fermions composites, des particules constituées d'un électron et d'une paire de vortex.

La carte de la matière nucléaire dense ressemble à une carte routière : les lignes de transition de phase se croisent en des points critiques, comme des routes à des carrefours. Jusqu'à présent, on connaissait deux carrefours sur cette carte : la transition nucléaire liquide-gaz et le déconfinement, où les hadrons se désintègrent en quarks.

La carte de la matière nucléaire dense ressemble à une carte routière : les lignes de transition de phase se croisent en des points critiques, comme des routes à des carrefours. Jusqu'à présent, on connaissait deux carrefours sur cette carte : la transition nucléaire liquide-gaz et le déconfinement, où les hadrons se désintègrent en quarks.

À l'intérieur de la Terre, entre 660 et 2900 kilomètres de profondeur, se trouve une couche appelée manteau inférieur. La pression y atteint 1,3 million d'atmosphères et la température est comparable à celle de la surface du Soleil.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

Dans une fine couche de cristal liquide, les molécules sont généralement disposées comme des allumettes dans une boîte : alignées dans une même direction, mais de manière désordonnée — certaines pointent vers le haut, d'autres vers le bas. Pour que toutes les allumettes pointent dans le même sens, il faut une architecture moléculaire particulière.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

Si l'on fait passer un courant dans deux conducteurs soudés ensemble, le point de soudure se réchauffe ou se refroidit : c'est l'effet Peltier, utilisé dans les réfrigérateurs de voiture.

Lorsque la particule ψ(2S) se désintègre en un proton et un antiproton, deux mécanismes différents agissent simultanément : l'interaction forte, comme une colle qui maintient les quarks ensemble, et l'interaction électromagnétique, comme la lumière qui repousse les charges.

Un interprète qui a mémorisé toutes les répliques à l'avance répond instantanément — il n'a pas besoin de réécouter toute la conversation. C'est le principe de ce nouveau modèle : il ne fait pas tourner les atomes dans l'ordinateur pendant des heures, mais fournit directement l'énergie libre du cristal à toute température et pression.

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.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

Lorsque deux noyaux atomiques se percutent, une minuscule boule de feu naît. Elle ne vit qu'un instant, mais en son sein se succèdent des époques entières : compression, échauffement, expansion. Les physiciens ont appris à écouter ce processus, et leur « micro » est constitué des paires d'électrons et de positons qui s'échappent de la boule à différents stades.

La glace ordinaire fond à zéro degré. La matière à densité nucléaire — le plasma de quarks et de gluons — subit quelque chose de similaire à environ 155 MeV (soit environ deux billions de degrés).

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

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.

Sur une pente raide en montagne, une pierre qui tombe déclenche parfois une avalanche, parfois elle se bloque. Tout dépend de l’état de la pente.

Juste après le Big Bang, l’Univers ressemblait à un chaudron en ébullition : partout éclataient et grossissaient des bulles d’un nouvel état de la matière. Il s’agissait de transitions de phase du premier ordre — exactement comme l’ébullition de l’eau. Sauf que la température atteignait des billions de degrés.

Dans une immense salle, des boules de billard sont éparpillées. Au début, elles sont clairsemées, chacune de son côté. Puis quelqu'un en ajoute d'autres — et soudain, les boules se compriment en îlots denses. C'est cela, la transition de phase — le moment où la matière change brusquement d'état.

Dans un verre d'eau, l'huile se rassemble en gouttelettes : c'est une séparation à l'équilibre, dictée par la chimie. Mais il existe des systèmes où l'ordre naît non pas du repos, mais d'un flux d'énergie constant.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

L'eau bout à cent degrés, tout le monde le sait. Mais pourquoi précisément à cent ? Pourquoi pas progressivement, mais par à-coups : il y a une seconde, c'était un liquide, et soudain — des bulles, de la vapeur, des bouillonnements. Ces changements brusques sont appelés transitions de phase, et ils ont une base mathématique rigoureuse.

Imaginez l'eau comme une salle de bal où chaque molécule est un danseur qui s'engage dans des unions éphémères. Ces liaisons hydrogène créent des motifs locaux : certains évoquent une valse guindée — un réseau ordonné avec des vides (structure de basse densité) —, d'autres un jitterbug endiablé, où les partenaires se serrent en amas denses et chaotiques.

L'effet Mpemba est une énigme où l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau tiède. On l'explique généralement par la façon dont l'eau perd de la chaleur et de l'entropie (une mesure du désordre). Mais dans un verre d'eau, le chaos empêche de modéliser précisément le phénomène.

L'eau n'est pas qu'une substance mouillée. À l'échelle des picosecondes, elle ressemble à une piste de danse où les molécules ne cessent de rompre et de créer des liaisons entre elles. Habituellement, cette danse est décrite par un mouvement principal : la relaxation collective, comme si toute la foule ralentissait d'un coup après l'arrêt de la musique.

Une étoile à neutrons, c'est une ville compressée aux dimensions d'une métropole, où la matière est condensée à l'extrême. Au centre même de cette ville, une restructuration peut commencer : les neutrons et protons familiers cèdent la place à un plasma de quarks — les quarks libres qui composent presque tout ce qui nous entoure.

Le diamant est un symbole de perfection, mais sa véritable magie se révèle à travers ses défauts. La pureté idéale du réseau offre transparence et dureté, tandis que les défauts — comme les centres colorés — ouvrent un portail vers le monde quantique, devenant la base des ordinateurs quantiques et de la…

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

Dans une tasse bien chaude, l'eau gèle parfois plus vite que dans une tasse tiède. Ce paradoxe a plus d'un demi-siècle et porte le nom d'effet Mpemba. On l'attribue généralement aux mouvements du liquide ou à l'évaporation. Aujourd'hui, des physiciens montrent qu'un tour similaire est possible sans eau, simplement par rayonnement de chaleur.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Si l'on comprime de l'eau entre deux plaques de verre de manière à ne laisser que deux couches de molécules, elle se transforme en quelque chose d'intermédiaire entre liquide et glace. À température ambiante, les molécules dans ce piège bougent encore, mais s'organisent déjà en une sorte de réseau cristallin.

Dans certains matériaux, le courant électrique peut circuler sans la moindre perte : c'est la supraconductivité. Mais avant de devenir supraconducteur, un matériau passe souvent par un état étrange : les électrons se perçoivent déjà et forment des paires, mais ne peuvent pas encore se déplacer de concert.

Une pente avec trois creux : le plus profond est la position stable de la bille, celui du milieu est instable. Une faible poussée et la bille dévale. Pourtant, une vibration constante de la bonne intensité peut la maintenir dans le creux du milieu pendant longtemps.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons.

L'eau bout dans une casserole, et les bulles de vapeur n'apparaissent pas n'importe où : elles s'accrochent de préférence aux rayures ou aux poussières sur le fond.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.

Les cristaux de temps sont des phases quantiques de la matière qui oscillent spontanément, à la manière d'un diapason dont l'écho ne s'éteint jamais.

Une longue chaîne d'atomes, et chacun est un minuscule aimant. Ils se parlent entre eux et avec le champ commun, comme des musiciens dans un orchestre qui entendent à la fois le chef et leurs voisins. Lorsque le champ externe change, l'orchestre joue soit en désordre, soit tous les instruments entrent en synchronie — c'est cela, une transition de phase quantique.

Le thé chaud placé dans le congélateur ne se couvre pas immédiatement de glace. D'abord, de minuscules aiguilles de glace s'y agitent — elles apparaissent et fondent, jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que la glace prenne solidement. C'est à peu près ce qui s'est passé dans l'Univers primordial lorsqu'il refroidissait et modifiait sa structure interne.