phonon

Une impulsion laser frappe un film mince de MoS₂, et à l'intérieur s'échauffe un nuage d'électrons porteurs d'un excès d'énergie. Ces porteurs chauds ressemblent à des coureurs partis à grande vitesse, mais qui devront perdre tout leur élan en chemin à force de collisions avec le réseau cristallin.

Dans un supraconducteur, où les électrons se déplacent par paires sans résistance, des ondes particulières peuvent courir le long des bords — comme des ondulations le long de la lisière d'un tapis. Le nombre de ces ondes est une caractéristique importante du matériau, mais il est difficile de le mesurer directement.

Deux cordes sont tendues côte à côte : l'une épaisse et sourde, l'autre fine et claire. Si l'on pince la corde épaisse, le son produit est flou, sans hauteur nette. La corde fine, elle, répond par un ton pur. Mais si on les relie, un effet inattendu apparaît : dans le spectre, une chute brutale se dessine, comme si quelqu'un coupait le son sur une note précise.

Dans le cristal de niobate de rutile, les atomes de nickel sont logés dans des cages d'oxygène — des octaèdres. Parfois, l'un des atomes perd un électron, et la charge saute vers l'atome voisin, comme un témoin dans une course de relais. Mais ce saut n'est pas aléatoire : il est déclenché par les vibrations de tout le réseau.

Jetez un caillou dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. De la même manière, tout corps, même le plus petit, perturbe le champ gravitationnel qui l'entoure. Dans le vide froid de l'espace, ces perturbations, telles des rides sur une surface calme, font que deux objets proches se repoussent toujours.

Un film magnétique de trois millièmes de millimètre d'épaisseur repose sur un substrat cristallin. Si on l'excite, des ondes d'aimantation se propagent à sa surface, comme des ronds dans l'eau. Simultanément, des oscillations élastiques peuvent apparaître dans le substrat, semblables aux vibrations d'une corde tendue.

Le champ lumineux, telle une gaufrier bien réglé, imprime dans l'espace un motif régulier de zones claires et sombres. Aux points les plus lumineux, comme dans de minuscules alvéoles, les atomes se logent – on obtient un réseau optique. C'est l'outil favori des physiciens pour étudier les comportements quantiques de la matière à l'état pur.

Dans un cristal, la chaleur voyage sur des ondes. Les atomes vibrent, et ces vibrations – appelées phonons – transportent l'énergie du bord chaud vers le bord froid.

Dans un cristal, la chaleur voyage sur des ondes. Les atomes vibrent, et ces vibrations – appelées phonons – transportent l'énergie du bord chaud vers le bord froid.

Le thé chaud refroidit, la glace fond — la chaleur passe toujours du chaud au froid, et cette loi semblait inébranlable. Mais dans le monde quantique, même les règles familières peuvent être réécrites.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

Les ondes radio basse fréquence (de 30 à 300 kilohertz) transportent l'information à travers l'eau et la terre. Mais les capter avec une antenne ordinaire est difficile : la longueur d'onde atteint plusieurs kilomètres, et un petit récepteur perçoit à peine un tel champ.

Une mosaïque de carrés et de triangles recouvre le sol sans laisser d'espace, mais ne forme pas un motif simple qui se répète. Un tel motif est un quasi-cristal, un solide où les atomes sont disposés non pas périodiquement, mais selon un motif composé de plusieurs ondes de longueurs différentes.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Dans un monde emprisonné dans un réseau cristallin et refroidi presque au zéro absolu, la matière sait dissimuler ses plus grands secrets.

Une corde de guitare continue de vibrer même après que le musicien l'a relâchée — et cette vibration modifie le son que perçoit l'auditeur.

Du Soleil à la Terre, le vent solaire file à toute allure, mais la magnétosphère dévie le flux et en sculpte des queues de plasma.

Au cœur d'un cristal de diamant parsemé de centres NV sommeille une symphonie. Chaque défaut est comme un diapason, prêt à répondre à une onde acoustique qui passe. Mais isolément, leurs voix sont à peine audibles : le couplage spin-phonon est plus faible qu'un murmure. Il faut un maestro capable de transformer de timides oscillations en un chœur puissant.

Un laser, ce n'est pas que de la lumière. Si l'on fait osciller une particule comme un pendule et que ces oscillations s'auto-entretiennent, on obtient un laser phononique. Cela semble compliqué, mais l'idée est simple : au lieu d'ondes lumineuses, l'appareil émet des ondes mécaniques régulières — des phonons.

Un caillou tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Dans le monde quantique, l'étang n'est pas fait d'eau, mais d'une multitude de particules identiques, et le caillou est aussi une particule, mais étrangère. Une telle particule étrangère est appelée polaron de Fermi.

Une charge en mouvement accéléré émet généralement de la lumière — c'est un fait banal. Mais des physiciens ont découvert que si la charge glisse le long d'une trajectoire particulière, son rayonnement se comporte différemment.

La lumière du soleil frappe la matière, et chaque photon éjecte un électron. C'est l'ordre habituel, qui empêche les cellules ordinaires de convertir en électricité plus d'un tiers de l'énergie — le reste se dissipe en chaleur.

Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée.

Dans l'orchestre des atomes, chaque instrument a sa propre partition. Mais parfois, deux musiciens commencent à jouer à l'unisson — et le son s'amplifie plusieurs fois. Dans le monde quantique, cette « consonance » est appelée résonance de Feshbach.

Un diapason sonne de moins en moins fort non pas parce qu'on a cessé de le tenir, mais parce que la main qui le frappe crée autour de lui une suspension invisible qui amortit les vibrations.

Une cuillère chaude dans une tasse de thé : la chaleur court le long du métal, de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Dans les manuels, ce processus est décrit comme un tremblement des atomes qui se transmettent des chocs. Mais les atomes ne se contentent pas de trembler : ils pivotent aussi, comme de minuscules toupies.

Le noyau atomique n'est pas une boule de billard, mais plutôt un nuage brumeux qui ne cesse de changer de forme. Les protons et les neutrons à l'intérieur sont en mouvement perpétuel, et le noyau peut adopter toutes sortes de formes : allongé, aplati ou en forme de poire.

Deux musiciens dans des pièces différentes jouent la même note. Le son doit être si identique que l'auditeur ne puisse pas dire qui joue. Dans le monde quantique, ce rôle est tenu par les sources de photons uniques — des particules de lumière qui doivent être indiscernables les unes des autres.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

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.

Le vent solaire n'est pas un flux régulier, mais plutôt un flux saccadé. À l'intérieur, les protons et les noyaux d'hélium ne volent pas à une seule vitesse, mais avec une dispersion, comme des gouttes dans un jet d'eau. Habituellement, cette dispersion est décrite par une simple courbe en cloche.

Si l'on place un kaon dans un champ électrique, il s'étire légèrement, comme un ballon de baudruche frotté sur un pull. Cette réponse — la polarisabilité électrique — indique à quel point la particule est rigide à l'intérieur.

Une enveloppe postale ordinaire a une forme rectangulaire, et la lettre qu'elle contient ne change pas les propriétés de l'enveloppe. Avec les photons – les particules de lumière – la situation est différente : leur « forme » dans le temps peut varier, et cette forme porte en elle-même de l'information.

Dans l'hélium superfluide, un vortex ressemble à une tornade dans une bouteille, mais au lieu d'eau, c'est un liquide quantique qui s'écoule sans frottement. Un tel vortex ne se dissipe pas de lui-même, donc la question de savoir où va son énergie est restée longtemps ouverte.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

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

Dans un cristal isolant, la chaleur se propage généralement de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Mais si l'on active un champ magnétique, une partie du flux thermique dévie sur le côté — comme l'eau qui, en dévalant une pente, est légèrement poussée latéralement par le vent. Ce comportement est appelé effet Hall thermique.

Un matériau magnétique dans un four à micro-ondes n'est pas le héros le plus évident d'un travail scientifique. Pourtant, c'est exactement ce que les auteurs ont fait : ils ont placé une minuscule sphère de grenat d'yttrium-fer (YIG) à l'intérieur d'un résonateur — une cavité où les photons micro-ondes rebondissent entre les parois, comme la lumière…

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.