cristaux photoniques

Dans une pièce sombre, un rayon de soleil traverse un trou d'épingle dans du carton, et une image inversée de la rue apparaît sur le mur. La chambre sténopé n'a pas besoin de lentilles : le minuscule orifice sélectionne lui-même les rayons provenant de chaque point de la scène.

La lumière qui naît lorsqu'un électron rapide pénètre dans un matériau est généralement considérée comme identique dans toutes les directions. Mais dans les cristaux où les propriétés optiques dépendent de l'orientation, ce n'est pas le cas. Passez la main sur du velours : dans un sens, il est lisse et brillant ; dans l'autre, il est sombre et rugueux.

La lumière qui naît lorsqu'un électron rapide pénètre dans un matériau est généralement considérée comme identique dans toutes les directions. Mais dans les cristaux où les propriétés optiques dépendent de l'orientation, ce n'est pas le cas. Passez la main sur du velours : dans un sens, il est lisse et brillant ; dans l'autre, il est sombre et rugueux.

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.

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

La lumière qui n'atteint pas la caméra laisse pourtant sa trace sur elle. C'est ainsi que fonctionne la nouvelle méthode de prise de vue : on éclaire l'objet avec une couleur, et l'image est assemblée à partir d'une autre. Dans le cristal, les ondes lumineuses se mélangent, et l'information sur l'invisible passe au faisceau visible.

La lumière qui n'atteint pas la caméra laisse pourtant sa trace sur elle. C'est ainsi que fonctionne la nouvelle méthode de prise de vue : on éclaire l'objet avec une couleur, et l'image est assemblée à partir d'une autre. Dans le cristal, les ondes lumineuses se mélangent, et l'information sur l'invisible passe au faisceau visible.

La lumière dans une fibre optique ressemble à un ruisseau : elle coule à l'intérieur du fil de verre et ne déborde pas. Un fil épais laisse passer plusieurs ruisselets à la fois, un fil fin n'en laisse passer qu'un seul. Les astronomes ont souvent besoin de transvaser la lumière d'un fil épais dans plusieurs fils fins pour la décomposer en couleurs.

Le faisceau laser d'une pince optique n'est pas simplement une tache de lumière, c'est un sac de forces. Une particule qui y pénètre roule généralement vers le point le plus lumineux, comme une bille au fond d'un trou.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

Une ampoule ordinaire est soit allumée, soit éteinte. Mais les minuscules particules luminescentes – des nanocristaux dopés aux ions de terres rares – émettaient jusqu'ici une lumière continue, comme de petites lampes de poche. À l'intérieur d'un tel cristal, des milliers d'ions émetteurs sont présents, et même si l'un d'eux « se fatigue », les autres continuent de briller.

Un photon unique est comme une brique parfaitement régulière avec laquelle on peut construire des technologies quantiques. Mais pour construire une maison, il faut des milliers de briques identiques.

On peut faire tourner la lumière sur commande, comme l'eau dans un tuyau — si l'on sait où appuyer. C'est exactement ce que font les circuits électro-optiques : ils changent la direction du faisceau à l'intérieur de la puce à l'aide d'un champ électrique.

Les vagues à la surface de l'eau se brisent généralement contre tout obstacle — une pierre, un pieu, une île. Mais que se passerait-il si l'on disposait les obstacles si astucieusement que la vague ne les remarque presque pas ? Dans cette nouvelle étude, des scientifiques ont disposé sur l'eau un motif de nombreux points, placés selon des règles mathématiques particulières, et ont envoyé des vagues à travers.

Dans une pièce ordinaire, la lumière disparaît instantanément dès qu'on éteint la lampe. Dans une minuscule cavité en nitrure de silicium, un photon peut rebondir entre les parois 80 000 fois avant de se perdre. C'est comme si une balle lancée dans une pièce rebondissait sur les murs presque sans perdre de vitesse.

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.

Dans une pièce ordinaire, la lumière disparaît instantanément dès qu'on éteint la lampe. Dans une minuscule cavité en nitrure de silicium, un photon peut rebondir entre les parois 80 000 fois avant de se perdre. C'est comme si une balle lancée dans une pièce rebondissait sur les murs presque sans perdre de vitesse.

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.

La matière noire n'émet pas de lumière et ne la réfléchit pas, mais sa présence se trahit par des effets gravitationnels. Pour attraper ne serait-ce qu'une particule, les physiciens construisent des détecteurs semblables à des pièces très silencieuses : à l'intérieur reposent des cristaux qui scintillent lorsqu'une particule les frappe.

Un morceau de métal de moins d'un millimètre, refroidi à moins 256 degrés Celsius, se comporte comme un kaléidoscope : dans un coin, les aiguilles magnétiques s'alignent en rangées régulières, tandis que dans le coin voisin, elles s'enroulent en hélice.

Dans une casserole d'eau flottent des billes microscopiques — des particules colloïdales. Chaque bille est recouverte de longs filaments polymères, semblables à une brosse, et porte une charge électrique. Si l'on choisit correctement la température et la composition de la solution, les billes commencent d'elles-mêmes à s'organiser en motifs ordonnés — des cristaux.

Un paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).

Deux cailloux tombent dans l'eau à une certaine distance l'un de l'autre. Les vagues qu'ils créent courent l'une vers l'autre et, à certains endroits, s'annulent — l'eau redevient lisse, alors que chaque caillou, pris séparément, aurait produit des ondulations.

Dans la vision habituelle du monde, un événement est un point sur la carte de l'espace-temps : « ici et maintenant », sans taille ni structure interne.

Quand on pince une corde de guitare exactement en son milieu, elle ne produit que des harmoniques impaires. La même règle s'applique aux cristaux symétriques : lorsque la lumière arrache des électrons, leur rayonnement ne contient que des harmoniques impaires. Mais des physiciens ont trouvé un moyen de contourner cette interdiction. Et sans déplacer le moindre atome.

Par grand froid — moins 268 degrés — une couche cristalline de pérovskite commence à transmettre la lumière différemment selon sa polarisation. Le faisceau semble se dédoubler : une partie va un peu plus vite, l'autre un peu plus lentement.

Dans une feuille ultramince de graphène à quatre couches, les électrons peuvent se comporter comme un liquide figé. Sous un fort refroidissement et sous l'effet d'un champ électrique, ils cessent de s'agiter et s'alignent en un motif régulier — un cristal de Wigner.

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.

Une onde lumineuse ressemble à une corde que l'on secoue : elle oscille dans un plan précis. Cette propriété, la polarisation, renseigne sur la forme et la composition des objets. Mais la capter n'est pas simple, surtout si l'on veut couvrir une large gamme de couleurs. Habituellement, on assemble des systèmes encombrants de lentilles et de filtres.

La lumière qui se propage dans un guide d'ondes peut parfois se retrouver piégée. Dans des structures particulières — les bandes plates — elle se fige sur place : l'onde ne s'étale pas, mais reste confinée dans quelques canaux voisins, comme un ressort comprimé. Une bande plate est une plage d'énergies où la vitesse de la lumière tombe à zéro.

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.

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.

Un surfeur glisse sur la surface de l'océan jusqu'à ce qu'une grosse vague arrive – et le voilà projeté vers l'avant. C'est à peu près ainsi qu'un électron libre interagit avec la lumière : en général, l'échange d'énergie est à peine perceptible, mais si le milieu environnant commence à osciller rythmiquement, chaque crête de vague pousse la particule de plus en plus fort.

La lumière se piège dans un réseau cristallin, mais pas un réseau ordinaire : un réseau retourné comme une peau de chamois, où au lieu de la cire il y a du vide, et les arêtes sont en matériau. C'est ainsi qu'est fait l'opale inversée — un cristal photonique tridimensionnel qui ne laisse pas passer la lumière de certaines couleurs.

Un cristal de la taille d'une boîte d'allumettes a été placé sous le faisceau d'un accélérateur clinique. La moitié de sa surface a été recouverte d'un motif de nano-aspérités, minuscules, plus petites que la longueur d'onde de la lumière. L'autre moitié est restée lisse. La différence était frappante : la partie recouverte a produit un signal 4,1 fois plus lumineux.

En 1958, Philip Warren Anderson a montré qu'un fort désordre peut arrêter une onde. Depuis, les physiciens ont découvert qu'entre l'arrêt complet et la libre course, il existe des régimes intermédiaires. Une particule peut non seulement rester immobile ou voler, mais aussi vibrer sur place, pulser ou combiner plusieurs types de mouvement à la fois.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais voilà qu'une des vagues, au lieu de s'éloigner, reste collée à un pli invisible de la surface et ne court que le long de celui-ci.

Les cristaux de pérovskite captent la lumière du soleil presque comme le silicium, mais ils coûtent trois fois rien. Leur problème, c'est une fragilité innée : la chaleur et l'eau ordinaire de l'air les rendent « malades ».

La lumière frappe un cristal et arrache un électron de sa place légitime. Il reste un vide — un trou, qui se comporte comme une charge positive. L'électron et le trou s'attirent et tournent l'un autour de l'autre, comme un couple dansant un slow. Une telle paire s'appelle un exciton (du mot « excitation »). Mais cette danse n'a pas lieu dans le vide.

Dans une fine lamelle de cristal stratifié, la lumière peut rester piégée, comme le son dans une pièce vide. À basse température, des échantillons de (PEA)₂PbI₄ d'une épaisseur allant de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres cessent presque de transmettre la lumière à certaines longueurs d'onde.