ordre et désordre quantiques

Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience.

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Les motifs moirés sont familiers à tout le monde. Deux peignes aux dents d'écartement différent, superposés, montrent des zones sombres. Quelque chose de semblable s'est manifesté dans le temps. Des physiciens ont pris un nuage d'atomes de Rydberg – des particules aux orbites électroniques inhabituellement grandes – et l'ont éclairé avec deux lasers.

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.

Après le Big Bang, selon la cosmologie inflationniste, l'Univers a connu une expansion rapide et une série de transitions de phase.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Chaque système — qu'il s'agisse d'un atome ou d'une chaîne de particules — résonne à ses propres fréquences, que les physiciens appellent niveaux d'énergie. Dans les systèmes chaotiques, comme dans un orchestre sans chef, ces fréquences remplissent généralement toute la plage disponible sans lacunes.

La fusion de trous noirs n'est pas un choc silencieux. Le trou noir né de la fusion tremble et s'amortit, émettant des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même.

En théorie quantique des champs, il existe une énigme ancienne : les divergences infrarouges. On les perçoit généralement comme un désagrément technique qu'il faut soigneusement « masquer » dans les calculs. Mais si ce n'était pas un bug, mais une fonctionnalité ?

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.

Dans un orchestre, les musiciens jouent chacun leur partition sans entendre les autres. Dans un cristal parfait de disulfure de tungstène sur graphène, les excitons — paires liées électron-trou — se comportent de la même manière : ils ne se mélangent presque pas en raison d'une symétrie cachée appelée symétrie de vallée.

Dans l'eau refroidie à −40 °C, une pause paradoxale s'installe : la glace hexagonale parfaite ne se forme pas immédiatement. À la place, une structure désordonnée apparaît, parsemée de couches cubiques — un véritable berceau pour la symétrie à venir, plein d'entropie, mais déjà chargé d'une architecture cachée.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

La matière noire demeure l'une des plus grandes énigmes de la physique moderne. Déjà, Vera Rubin, en observant la rotation des galaxies, avait prouvé que la matière visible ne suffisait pas à retenir les étoiles.

Une corde sonne parfaitement pur tant qu'un courant d'air ne la touche pas. C'est à peu près ainsi que fonctionne un laser superradiant : un faisceau d'atomes, préalablement chargés d'énergie, traverse une pièce faite de deux miroirs — le résonateur optique (un piège où la lumière rebondit d'avant en arrière).

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 ».

Une foule de personnes qui peuvent se déplacer librement, mais qui se mettent soudain à agir comme un seul corps — c'est ainsi qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Un cristal, c'est comme un régiment en parade : chaque atome à sa place, et les électrons y défilent en ondes régulières. Un matériau amorphe, c'est une foule dans une gare : aucun ordre, juste une cohue permanente. Dans une telle foule, un électron se retrouve vite coincé, comme une personne qui tente de traverser une masse compacte de gens.

Dans un cristal ordinaire, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des soldats sur un terrain de parade. Toute déviation de cet alignement est généralement considérée comme nuisible : le désordre disperse les ondes et éteint rapidement les mouvements collectifs des particules.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition. Si le chef d'orchestre fait une fausse note, la musique s'effondre. Dans les simulations quantiques numériques, le rôle du chef d'orchestre est joué par une séquence d'opérations simples, et les erreurs s'accumulent comme des fausses notes.

Dans le monde quantique, certaines règles semblent violées. L'une d'elles est la loi de conservation : si en physique classique la symétrie garantit la conservation de la charge, lors du passage à la description quantique, cette garantie peut disparaître. Ce phénomène est appelé anomalie quantique.

La surface du cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à une mer figée : à certains endroits, les électrons se déplacent librement, à d'autres, ils restent piégés près des atomes. Un microscope à effet tunnel (un instrument qui sonde la surface avec une aiguille extrêmement fine et détecte des électrons individuels) a révélé que ce paysage n'est pas dû au hasard.

Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.

Un cristal en couches refroidi évoque une pile de feuilles minces entre lesquelles circulent des électrons. À une température d'environ 17 K, de minuscules régions apparaissent où les électrons s'organisent en une onde, comme une ride à la surface de l'eau qui se figerait sur place. Ces régions sont appelées « flaques de charge » et on pensait jusqu'ici qu'elles étaient immobiles.

Un cristal qui, à l'intérieur, ressemble à une éponge avec un labyrinthe de pores, s'est avéré capable d'effectuer des calculs. Le matériau nommé DUT-8 est constitué de nœuds métalliques et de ponts organiques formant une structure ajourée. Sous l'effet de différents gaz, cette structure change légèrement de forme — comme un château de cartes qui se réorganise sous une légère brise.

Un carrelage ordinaire forme un motif répétitif. Mais les atomes peuvent faire mieux : dans certaines conditions, ils assemblent seuls une mosaïque complexe dont le motif ne se répète jamais, comme sur les anciens panneaux de faïence.

Un qubit supraconducteur est un minuscule circuit électrique qui se comporte comme un atome artificiel. Dans son état normal, le courant le traverse sans résistance, et les niveaux d'énergie sont disposés régulièrement, comme les marches d'un escalier. Mais si un électron unique se retrouve piégé dans le circuit, tout change.

Dans un cristal, les atomes occupent généralement leur place attitrée, comme des passagers dans un avion avec leurs billets. Mais dans ce matériau, le cuivre et le tantale ont pris des positions au hasard — comme si les billets avaient été mélangés. Les scientifiques ont observé le cristal à l'aide de rayons X et ont constaté que le désordre n'est pas seulement sur le papier, mais dans la disposition même des atomes.

Secouez un bocal contenant du sable et des billes : vous verrez les gros objets remonter ou couler selon leur taille. Mais si vous secouez intelligemment, vous pouvez faire en sorte que les billes se rassemblent en paires et en chaînes, comme si elles étaient collées les unes aux autres.

Les cristaux temporels sont une matière qui « tictaque » même au repos, comme des horloges éternelles prédites par Frank Wilczek. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont assemblé deux de leurs types : le discret (rythme rigide, comme un métronome) et le continu (tempo variable, comme une toupie).

Dans un milieu fortement désordonné, les particules quantiques se comportent comme des danseurs exécutant des pas en parfaite synchronie : chacun connaît son mouvement et évite les collisions.

La mosaïque de Penrose, composée de deux types de tuiles, pave le plan sans motif répétitif — une merveille mathématique découverte par Roger Penrose a trouvé une incarnation physique dans le monde quantique. Les chercheurs ont modélisé une chaîne de particules interagissant selon une règle qui rappelle les nombres de Fibonacci et le nombre d'or.