quasiparticule

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.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. De la même manière, les corps massifs engendrent des ondes gravitationnelles, mais c'est l'espace lui-même qui oscille. Jusqu'à présent, ces ondes étaient captées par d'immenses détecteurs : ils frémissent légèrement lorsqu'une onde les traverse.

Dans le monde quantique, les particules se comportent parfois comme des acrobates sur des cordes invisibles. Le champ d'instanton est un vortex éphémère qui apparaît puis disparaît aussitôt. Lorsqu'un fermion (une particule comme l'électron) pénètre dans un tel vortex, son énergie ne reste pas immobile.

Dans le monde des particules quantiques, il y a des « introvertis » : les anyons. Ils ne ressemblent pas aux électrons ou aux protons habituels. Si l'on échange deux de ces « introvertis », ils se souviennent de cette manœuvre, comme s'ils laissaient une trace invisible.

Dans un cristal, la chaleur voyage sur des ondes. Les atomes vibrent, et ces vibrations – appelées phonons – transportent l'énergie du bord chaud vers le bord froid.

Un qubit supraconducteur ressemble à un instrument de musique capricieux : tant qu'on ne l'a pas accordé, on ne peut pas espérer une note juste. Mais même après l'accordage, le son dérive. Les coupables sont de minuscules défauts dans le matériau, que les physiciens appellent des systèmes à deux niveaux.

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

Un résonateur vide n'est pas tout à fait vide. Même dans le vide absolu, où il n'y a aucun photon, subsistent des fluctuations quantiques. Elles ressemblent à des rides sur l'eau par temps calme : la surface paraît lisse, mais les molécules continuent de trembler.

Le monde quantique est retors : parfois, des particules confinées dans une couche plane et traversées par un puissant champ magnétique se comportent comme un liquide composé non pas d'électrons entiers, mais de leurs fractions — des charges fractionnaires. C'est l'effet Hall quantique fractionnaire.

Le graphène, une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur, se comporte comme la surface d'une eau calme — jusqu'à ce que la supraconductivité apparaisse. Alors, telles des ondulations provoquées par une pierre jetée, des vagues inhabituelles se propagent : des paires d'électrons se déplacent sans frottement.

Un trou noir, après un impact, sonne comme une cloche. Mais au lieu d'un son, il émet des ondes gravitationnelles dont la fréquence diminue rapidement — on appelle cela les modes quasi-normaux. Grâce à cette « sonnerie », on peut connaître la masse du trou, sa rotation et d'autres propriétés.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

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.

Dans la ville des particules élémentaires, il y a une maison tout au bord du précipice : la X(3872). Elle se tient exactement sur la ligne qui la sépare de sa désintégration en deux structures plus légères : le méson D et l'anti-méson D. Une petite poussée et elle s'effondre. Mais la maison tient. Les physiciens se sont longtemps demandé ce qui la retient.

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.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Depuis que Fritz Zwicky a remarqué que les amas de galaxies se déplacent trop vite, et que Vera Rubin a mesuré la rotation des bras spiraux, la matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.

L'effet tunnel quantique — la capacité des particules à franchir des barrières interdites par la physique classique — alimente les étoiles par fusion nucléaire, allume la nucléosynthèse primordiale et nous offre la mémoire flash.

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.

Un trou noir n'est pas un objet mort. Après une perturbation, par exemple la fusion avec un autre trou noir, il sonne comme une cloche. Cette sonnerie n'est pas un simple son, mais un ensemble complexe d'oscillations amorties appelées modes quasi-normaux.

Imaginez un gratte-ciel assemblé non pas à partir de briques individuelles, mais d'appartements-studio entiers. C'est exactement ainsi qu'est structuré le cristal Au₆Te₁₂Se₈ : ses nœuds ne sont pas des atomes, mais des clusters superatomiques d'or et de chalcogènes qui se comportent comme des objets quantiques uniques.

Dans l'eau bouillante, on peut voir une ébauche de ce tour de passe-passe quantique : si une partie du liquide se transforme en bulles de vapeur à longue durée de vie, la masse principale se refroidit.

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.

Dans un long couloir, une foule de personnes essaie de rester à distance les unes des autres. Dans une salle spacieuse, elles se seraient simplement écartées, mais ici les murs sont si serrés qu'il faut avancer en file indienne, en coordonnant chaque pas. C'est ainsi que se comportent les électrons dans les couches de graphène tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule.

Vous cherchez une pièce silencieuse pour une conversation importante. Vous entrez dans une salle et vous entendez le silence. Mais en y regardant de plus près, vous découvrez que dans un coin, la ventilation est simplement cassée, et dans un autre, il y a un trou dans le sol qui absorbe le son.

Dans le monde microscopique, les forces à longue portée — la gravité ou l'électricité — ne s'éteignent jamais, même à de très grandes distances. Ainsi, toute particule traîne derrière elle un sillage de photons ou de gravitons mous (c'est-à-dire de très basse énergie). Ce sillage est appelé « vêtement » : sans lui, les calculs s'effondrent, des infinis apparaissent.

Un billard bien étrange, si les boules n'avaient pas de masse. Elles ne se heurteraient pas, mais se traverseraient sans se soucier des obstacles. C'est à peu près à cela que ressemble la tentative de se représenter la lumière comme un flux de particules classiques – de petits corpuscules élastiques filant en ligne droite. Une nouvelle démonstration met un terme à cette image.

L'Univers ressemble à un gâteau à plusieurs étages, où notre étage — étoiles, planètes et êtres humains — n'est que l'un parmi tant d'autres. Dans l'étage voisin, que les physiciens appellent le secteur caché, bouillonnent des processus qui leur sont propres.

Un nuage d'atomes de rubidium est piégé dans une lumière. Des lasers et des champs magnétiques l'organisent à la manière d'un réseau cristallin, mais ici les mailles ne mesurent pas des fractions de millimètre, mais des fractions de micromètre.

Le supersolide est une matière à la fois cristalline et fluide. On le crée à partir d'atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont obtenu une telle substance sous la forme d'un réseau triangulaire de gouttelettes. Chaque gouttelette oscille à son propre rythme.

Un bloc de matière noire dérive dans le vide — invisible, presque insaisissable. Personne ne sait de quoi il est fait, mais une nouvelle étude propose de le voir comme une goutte de fluide quantique.

Une pierre tombe dans un étang – et des cercles se propagent à la surface. Les ondes longues et les ondes courtes se déplacent à la même vitesse : c'est ainsi que se comporte le son ordinaire dans presque tous les milieux. Mais dans les liquides quantiques, tout peut être différent.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition sans écouter les autres. Soudain, sans ordre visible, les voisins de pupitre commencent à se synchroniser parfaitement, mais la mélodie commune n'existe pas encore.

Deux particules quantiques sont reliées par un fil invisible : l'une perd de l'énergie, l'autre en gagne, mais le réservoir commun reste inchangé.

Jetez un caillou dans un étang : des rides se propagent à la surface. Frappez une cloche : elle résonne à sa fréquence propre. Un trou noir, après une collision avec un autre trou noir, « sonne » lui aussi, mais au lieu d'un son, c'est l'espace lui-même qui tremble.

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.

Le balancier d'une horloge ancienne oscille parce qu'un mécanisme à ressort le pousse régulièrement. Imaginez maintenant un balancier qui décide lui-même de son mouvement — et qui le fait avec un rythme immuable, simplement parce que la pièce est chaude et qu'il y a un léger courant d'air.

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.

Une batterie ordinaire de téléphone accumule de l'énergie dans les liaisons chimiques — lentement, avec échauffement et usure. Le condensateur quantique, lui, fonctionne autrement : il se charge non par la matière, mais par le rythme.