polaron

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.

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.

Les sursauts radio rapides (sursaut radio rapide) – des balises mystérieuses de l'Univers, émettant en quelques millisecondes une énergie comparable à celle du Soleil en un siècle.

La matière quantique nous offre rarement le spectacle de l'autopropulsion. Là où le monde classique fourmille d'étourneaux en vol, de bancs de poissons et de bactéries affairées, la thermodynamique quantique est longtemps restée immobile.

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.

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.

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 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.

Déjà Jocelyn Bell Burnell, qui avait enregistré pour la première fois la périodicité stricte des signaux radio, avait remarqué que certaines impulsions disparaissaient soudainement. Aujourd'hui, nous savons que cette variabilité n'est pas un caprice, mais la voix d'une électrodynamique extrêmement complexe.

Une toupie de la taille d'une ville, qui pèse plus que le Soleil et effectue des centaines de tours par seconde. Voilà une étoile à neutrons — le vestige d'un astre explosé. Parfois, sa rotation s'accélère soudainement, comme si quelque chose s'était déclenché à l'intérieur.

Deux étoiles à neutrons — des vestiges d'astres morts, comprimés à la taille d'une ville mais pesant autant qu'un Soleil entier — tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. À cet instant naît un objet à mi-chemin entre un trou noir et un aimant surpuissant : un champ des milliards de fois plus intense que celui du plus puissant IRM.

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.

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.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Au fin fond de l'espace, une étoile à neutrons en rotation rapide, un pulsar surnommé Phare, file à travers un gaz ténu. Telle une vedette fendant l'eau, il laisse derrière lui une traînée lumineuse de particules chargées. Cette traînée est visible en rayons X comme une queue brillante et un mince filament s'étendant sur plusieurs années-lumière.

Un morceau de magnétite, cette pierre de fer banale, se comporte de manière étrange. À température ambiante, il conduit l'électricité, mais il suffit de le refroidir en dessous de moins 150 degrés pour que sa résistance grimpe en flèche. Cette transition, découverte en 1939, est restée inexpliquée pendant près d'un siècle.

Selon le modèle standard, le vide n'est pas un néant, mais un océan de particules virtuelles fantomatiques. Un champ électromagnétique surpuissant, telle une tempête, arrache des paires d'électrons et de positrons à la réalité.

Le vide n'est pas un silence vide, mais un chaudron bouillonnant de fluctuations quantiques : des particules virtuelles naissent sans cesse du « rien » et s'annihilent en quelques milliardièmes de seconde.

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.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

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.

Près des trous noirs et des étoiles à neutrons, le plasma bouillonne comme l'eau dans une bouilloire. Mais dans cette « bouilloire », il n'y a pas de parois — seulement des champs magnétiques qui se tordent et se déchirent.

Le cristal de titanate de baryum ressemble à une foule où chaque personne tient une flèche indicateur. À l'état normal, les flèches pointent dans des directions différentes, mais si l'on applique un champ électrique, elles se tournent toutes d'un coup dans la même direction.

Dans une fine couche de cristal liquide — une substance qui s'écoule comme un liquide, mais dont les molécules sont ordonnées comme dans un solide — naissent des tourbillons plus petits que l'épaisseur d'un cheveu humain. Ces tourbillons ressemblent à de minuscules toupies : ils peuvent se déplacer sans se désagréger et se comportent presque comme de vraies particules.

Dans un cristal d'europium, de zinc et de phosphore, le courant se comporte comme une voiture sur une route cahoteuse. Les électrons ne courent pas librement, mais traînent derrière eux des nuages magnétiques – des polarons.

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.

Deux minuscules émetteurs, chacun de la taille d'un atome, peuvent ensemble accomplir ce qu'ils ne pourraient pas faire séparément. Il s'agit de la diffusion de la lumière — lorsque la lumière frappe des particules et se disperse dans toutes les directions. En général, une paire de particules ne diffuse la lumière que légèrement plus qu'une seule.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Lorsque la lumière arrache un électron d'une molécule, les électrons restants ne restent pas immobiles — ils se réorganisent, comme des passagers dans un wagon quand l'un d'eux descend à un arrêt.

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 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.

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.

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.

Au cœur de chaque galaxie sommeille un trou noir supermassif. Lorsqu'il dévore de la matière, ses environs s'embrasent : c'est un noyau actif. Comment savoir si des éruptions ont eu lieu par le passé, alors que le trou noir se tait ? La réponse nous vient de l'écho lumineux.

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.

Deux gouttes d'eau tremblent en synchronie — parce qu'une paille les relie. Ainsi en va-t-il des particules intriquées : leur unité tient peut-être à un trou de ver microscopique.

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

Le spectre des électrons cosmiques, c'est comme des empreintes digitales sur une scène de crime. Les particules qui arrivent des profondeurs de la Galaxie portent dans leurs énergies les traces de ceux qui les ont engendrées.