polariton

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Dans l'espace entre deux miroirs, un faisceau lumineux va et vient. Il se réfléchit, repart en arrière, se réfléchit à nouveau – et ainsi de suite. À l'intérieur de cet espace se trouve une fine couche d'électrons qui peut tourner sous l'effet d'un champ magnétique.

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.

En 1984, le monde de la cristallographie a été bouleversé : dans un alliage d'aluminium et de manganèse, on a découvert des pics de diffraction aigus avec une symétrie d'ordre cinq – comme si la nature se moquait des théorèmes stricts qui interdisaient aux motifs répétitifs d'avoir des axes 5, 8, 10 ou 12.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

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 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.

Les réseaux de neurones génératifs qui créent des images s'appuient généralement sur le hasard numérique. Mais une équipe de chercheurs a construit un système où le hasard naît non pas dans le code, mais dans une minuscule cavité optique contenant un colorant organique.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

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.

Carrelez le sol avec des triangles identiques : vous obtenez un motif répétitif ennuyeux. Mais que faire si l'on veut un motif qui ne se répète jamais, avec une seule forme de tuile ? Longtemps, les mathématiciens ont été convaincus que c'était impossible : il fallait au moins deux formes différentes.

Dans un mince sandwich de semiconducteurs, la lumière crée des paires — un électron et un trou positif — qui restent liés comme une balle au bout d'un élastique. Habituellement, ces paires, les excitons, émettent rapidement de la lumière et disparaissent.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

La lumière ordinaire se disperse dans toutes les directions, comme l'eau d'un verre brisé. Mais dans certains cristaux, les ondes lumineuses savent se regrouper en faisceaux étroits et ne circuler que dans une seule direction – comme l'eau dans une gouttière. Des physiciens ont étudié un tel matériau : l'oxyde de vanadium lamellaire α-V2O5.

Sur une piste de danse, la lumière et les mouvements des danseurs ne sont pas liés : les lumières clignotent indépendamment, les gens bougent à leur guise. Dans le monde microscopique, c'est pareil : les électrons et les photons ne se synchronisent presque jamais — c'est l'interdiction de la superradiance. Mais ajoutez un battement rythmique, et la piste s'anime.

Une boîte quantique de la taille d'un virus, prise en sandwich entre deux miroirs, donne naissance à deux photons lors d'un bref éclair de lumière.

La lumière de l'étoile HD 163296 traverse le disque de gaz et de poussière qui l'entoure, comme le faisceau d'une lampe de poche traverse une eau trouble.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

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.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

Le faisceau d'une lampe de poche dans le brouillard s'étale déjà après quelques mètres. Les particules de lumière se dispersent dans toutes les directions, comme une foule sur une place. Mais parfois, elles peuvent marcher en formation, sans se disperser ni se mélanger. C'est une telle marche qui a été obtenue dans un minuscule cristal de pérovskite. Le cristal a été placé entre deux miroirs.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

Un matériau d'une épaisseur d'un atome et d'une pureté record – un seul atome étranger par million – devient le théâtre d'un phénomène étonnant. Lorsqu'on le refroidit presque au zéro absolu, les électrons à l'intérieur, tels des musiciens d'orchestre, se figent dans un ordre strict, formant un cristal.

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle n'émet pas de lumière, mais son attraction empêche les galaxies de se disperser. Nouvelle hypothèse : la matière noire serait composée de photons sombres — des particules fantomatiques qui, dans des conditions normales, sont invisibles.

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont apparus si rapidement après le Big Bang que les astronomes se creusent la tête. La clé réside dans les frémissements du champ invisible des axions.

La superfluorescence est l'expiration synchronisée de lumière d'un cristal. Des chercheurs viennent d'observer son image miroir : la superabsorption, une inspiration coordonnée.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

Niels Bohr insistait : on ne peut pas savoir à la fois par quel chemin est passé un photon et observer des interférences. Longtemps, cela a été considéré comme une limite de la connaissance — on pensait simplement ne pas pouvoir obtenir les deux types d'information en même temps.