vortex quantiques

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

Une pierre tombe dans une eau calme — et des anneaux réguliers se propagent à la surface. Si la pierre ne tombe pas seulement, mais tourne aussi, de petites vortex apparaissent à la surface — des tourbillons. La lumière sait faire de même, sauf qu'à la place de l'eau, ce sont l'espace et le temps eux-mêmes.

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

Une goutte d'hélium froid frôle dangereusement un trou noir. Ce n'est pas une simple goutte : c'est une étoile morte de la taille de la Terre, mais dont la masse est comparable à celle du Soleil.

Le paradoxe du jeune vent solaire a longtemps tenu en haleine les héliophysiciens. Les mesures montrent qu'à proximité de l'astre, les faisceaux de protons ne sont pas diffus, mais comprimés, comme si quelqu'un leur avait soigneusement donné la forme d'une tête de marteau.

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.

Un ballon de baudruche ne se dégonfle pas d'un seul coup : d'abord, des creux apparaissent à sa surface, qui courent, fusionnent, et finalement le ballon se ratatine en un point. C'est à peu près ce que font les parois de domaine – de fines cloisons qui divisaient l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang.

L'eau d'une rivière forme souvent des tourbillons. Mais dans les semi-conducteurs — la base des puces électroniques — les électrons, à basse température et avec une grande pureté, se transforment eux aussi en liquide.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

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'étoile à neutrons est une toupie de la masse du Soleil, compressée à la taille d'une ville. Elle naît dans le feu d'une supernova et, en temps normal, ne fait que ralentir sa rotation. Mais parfois, sans raison apparente, elle accélère soudainement – un à-coup que l'on appelle un glitch.

Dans une pastille magnétique minuscule, plus petite qu'un micron, vit un vortex – l'aimantation s'enroule comme l'eau dans un entonnoir. Au centre de cet entonnoir se trouve le cœur, qui tourne lui-même sur une petite orbite, telle une toupie qu'on aurait lancée.

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.

Au cœur froid d'un cristal pur, les électrons du modèle standard s'écoulent comme un fluide visqueux — une idée prédite par Lev Landau. Mais les tourbillons de ce fluide restaient invisibles, comme un tableau noyé dans le bruit de fond.

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.

Une rafale de vent frappe brusquement l'aile, et un immense tourbillon se forme au-dessus d'elle. Ce tourbillon peut modifier brutalement la portance, et l'avion peut piquer du nez. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à prédire ces tourbillons, mais la complexité les gêne : le flux d'air rapide est rempli de petites fluctuations chaotiques.

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.

Dans le nuage de gaz dense W44, où naissent les étoiles, le télescope ALMA a repéré huit minuscules amas filant à des vitesses énormes. Chacun d'eux apparaît comme une lettre V sur les cartes « position-vitesse », tout comme la « Balle » déjà connue découverte précédemment. Une telle similitude suggère une origine commune.

Les vortons sont des cerceaux cosmiques invisibles, des boucles fermées de courbure de l'espace-temps. Plus fins qu'un atome mais plus lourds que des étoiles, ces reliques du Big Bang tournent comme des manèges géants, enroulant tout autour d'eux.

La matière noire est un océan invisible qui, comme l'ont montré les observations de Vera Rubin, empêche les étoiles des galaxies de s'éparpiller.

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.

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.

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

Les vortex magnétiques dans les supraconducteurs, comme des tourbillons dans l'eau, dissipent généralement de l'énergie et disparaissent rapidement à cause du frottement interne — la dissipation. Cela entrave leur utilisation dans les puces quantiques.