vortex quantique

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

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.

295 000 mètres par seconde. Même les particules des éjections coronales du Soleil ne filent pas si vite. Pourtant, au cœur de l'amas de galaxies H1821+643, le gaz chaud se déplace exactement à cette vitesse. Le quasar en son centre expire — et son souffle agite tout sur 60 000 années-lumière.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un nuage invisible : le halo de matière noire. Si cette matière est suffisamment froide et légère, elle se comporte comme un superfluide : elle s'écoule sans frottement, et toute rotation s'y enroule en de minuscules vortex quantiques — des filaments de la taille d'un…

Les mondes bidimensionnels ne cessent de surprendre : ici, même la fusion d'un cristal n'est pas une rupture de symétrie, mais un spectacle de vortex, découvert par Kosterlitz et Thouless. Au cœur de ce théâtre se trouvent des singularités topologiques, dont l'énergie et l'entropie négocient l'ordre.

Dans le monde quantique, les particules de matière noire peuvent fusionner en une seule goutte superfluide — un état où la matière s'écoule sans frottement, comme un fluide parfait.

Le son se propage dans un milieu à une certaine vitesse. Si le milieu se déplace plus vite, le son est entraîné par le flux, comme un brindille aspirée dans un tourbillon. Dans l'hélium superfluide — un liquide sans frottement — une rotation rapide engendre des vortex en entonnoir.

On vient d'arrêter de remuer une casserole d'eau : les entonnoirs et les tourbillons s'apaisent peu à peu, le liquide devient lisse. Un processus similaire, mais dans le monde quantique, se produit dans l'hélium superfluide ou dans un nuage d'atomes ultra-froids.

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.

L'eau bouillonne derrière une pierre dans la rivière, l'air tourbillonne derrière l'aile d'un avion : on croirait un mouvement parfaitement désordonné. Mais les auteurs de ces travaux y ont trouvé une recette de cuisine rigoureuse. Ils ont décomposé la rotation du fluide (le moment cinétique) en deux parties indépendantes.

Le vide peut engendrer des particules si on lui applique un champ suffisamment intense. Les physiciens appellent cela le paradoxe de Dirac–Klein. Auparavant, cela nécessitait des calculs très complexes de théorie quantique des champs. Mais on peut s'en sortir avec une image parlante : un élastique fortement tendu avec un nœud. Le nœud représente une particule.

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.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse, mais dès qu'il rencontre un obstacle, le tableau change. Dans cette nouvelle étude, on a examiné comment un flux superfluide contourne des parois rectangulaires et des puits aux angles vifs.

L'hélium liquide, refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme deux fluides à la fois : une partie visqueuse ordinaire et une partie superfluide qui s'écoule sans frottement. Lorsqu'un tel écoulement rencontre un cylindre, des tourbillons naissent derrière lui.

Un vortex dans un gaz superfluide ressemble à un tourbillon dans un évier : le fluide tourne autour d'un cœur vide. Si l'on tord ce vortex trois fois plus fort que d'habitude, il ne tient pas — il se fragmente en trois tourbillons distincts, comme un épais jet d'eau qui se brise en gouttes.

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.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Une fine plaque se dresse en travers d'un écoulement d'eau ou d'air. Derrière elle naît un sillage – une zone où le courant se brouille et se mélange. En général, un tel sillage devient turbulent lorsque la vitesse de l'écoulement est suffisamment grande, et le nombre de Reynolds en est la mesure.

Un trou noir en rotation se comporte comme un entonnoir géant, mais il ne se contente pas d'aspirer tout ce qui l'entoure — il tord l'espace lui-même, tel un courant de rivière impétueux. De nouveaux calculs montrent que dans cette tornade peuvent naître des tourbillons stables de particules ultra-légères — probablement les briques de la matière noire.

Selon les lois du modèle standard, un électron obéissant à l'équation de Dirac tremble même au repos complet. C'est le Zitterbewegung — une oscillation d'une amplitude de l'ordre du trillionième de millimètre, comme une toupie sur un axe invisible.

Quand on fait tourner un liquide dans une tasse, il se forme un entonnoir avec un centre vide. Dans ce centre vide, les vagues trouvent un piège : en se réfléchissant sur les parois, elles puisent de l'énergie dans le vortex et grossissent, comme une flamme le long d'une mèche — chaque vague est plus forte que la précédente, jusqu'à ce qu'une gerbe se déclenche.