racine de hertz

Une corde tendue émet un son plus aigu lorsqu'on la tend davantage. C'est à peu près ce que fait l'aimantation dans un antiferromagnétique : plus le champ externe est fort, plus elle oscille rapidement. Mais dans le cristal d'oxyde de chrome, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu.

Le faisceau d'une lampe de poche perce un brouillard. Plus le brouillard est épais, plus la lumière est diffusée et plus elle met de temps à atteindre l'œil. Un principe similaire s'applique aux sursauts radio rapides — ces impulsions mystérieuses et extrêmement puissantes venues de galaxies lointaines.

Un pendule pesant quelques grains de sable se balance au bout d'un fil de verre extrêmement fin. Ses mouvements sont si faibles que les chocs thermiques des molécules d'air semblent être un ouragan. Mais c'est précisément un tel pendule qui détient la clé pour observer les merveilles quantiques dans le monde des objets de grande taille.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme un microphone sensible qui capte les moindres champs magnétiques. C'est ainsi que fonctionnent les capteurs à centres azote-lacune (lorsqu'un atome d'azote et une lacune voisine forment un système quantique).

La cloche ne sonne pas sous l'impact, mais sous le frémissement éphémère de l'espace. Une onde gravitationnelle – comme une ride sur un étang – traverse un aimant massif, qui se déforme légèrement. Cette déformation peut être convertie en signal électrique.

La radioastronomie a commencé avec le mystérieux bruit capté par l'antenne de Karl Jansky et les impulsions rythmiques que Jocelyn Bell Burnell avait baptisées « petits hommes verts ».

Jetez une pierre dans l'eau : près du point d'impact, les vagues sont chaotiques — c'est le champ proche. Plus loin, elles s'étalent en cercles réguliers — le champ lointain. Ce même principe régit les antennes pour la communication térahertz, l'avenir de l'Internet ultra-rapide.

L'Univers résonne, mais notre oreille ne perçoit que les graves. LIGO entend le grondement des fusions de trous noirs — c'est l'infrason du cosmos. Plus haut, dans les gigahertz, tintent les flûtes et les violons de la gravitation primordiale.

Le faisceau laser dans le tunnel de plusieurs kilomètres tremble au passage d'une onde gravitationnelle — mais ce tremblement est à peine perceptible, de l'ordre de fractions du diamètre d'un proton. Pour entendre ce murmure du cosmos, les physiciens tirent du laser tout ce qu'ils peuvent.

Dans un système de plomberie, l'eau peut parfois ne pas s'écouler en un flot continu, mais par portions identiques et distinctes — comme si le robinet s'ouvrait et se fermait, laissant passer à chaque fois exactement une goutte. C'est à peu près ainsi que se comporte le courant électrique dans les contacts supraconducteurs appelés jonctions Josephson.

L'hydrogène est l'atome le plus simple : un proton et un électron. On pourrait croire qu'il n'y a rien à étudier, mais c'est précisément sur lui que les physiciens testent les lois les plus subtiles du monde microscopique. L'électron dans l'atome peut occuper différents niveaux d'énergie, comme les marches d'un escalier.

Un microphone ultra-sensible tente de capter le murmure d'une galaxie lointaine. Mais le microphone lui-même tremble à cause de la chaleur : ses atomes dansent comme du pop-corn dans une casserole. Les physiciens appellent cette danse le bruit thermique, et il étouffe souvent les signaux faibles.

Un laser ordinaire émet des raies fines, comme une corde qui ne joue qu'une seule note. Pour la spectroscopie, c'est gênant : si une substance absorbe la lumière entre les raies, on peut ne pas la remarquer.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.

Une horloge, ce n'est pas que des aiguilles. Tout noyau atomique est un métronome naturel : il oscille avec une régularité presque parfaite. Si l'on soulève un de ces métronomes de deux mètres, son rythme s'accélère légèrement — c'est la courbure de l'espace-temps prédite par Einstein.

Un laser, qui d'ordinaire émet un faisceau régulier, se met à trembler près du seuil d'émission, comme une corde qui vibre avant de produire un son. Ces tremblements ne sont pas un défaut, mais du bruit quantique : les atomes à l'intérieur du laser émettent de la lumière de manière aléatoire, sans aucune cause externe.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme une antenne sensible. Lorsqu'un champ magnétique oscille à proximité, ce défaut — une lacune d'azote — répond par une émission de lumière. Auparavant, pour capter le signal, il fallait accumuler de nombreuses mesures répétées, comme si l'on écoutait un murmure en collant l'oreille à une porte.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

L'Univers est en expansion, et les galaxies s'éloignent les unes des autres comme les raisins secs dans une pâte qui lève. La vitesse de cette fuite — la constante de Hubble — est un nombre clé en cosmologie.

Un faisceau laser tremble généralement un peu, comme une corde pincée. Dans les horloges optiques, ce tremblement se transforme en erreur de mesure. Les ingénieurs ont remplacé la lumière tremblotante par une lumière stable — et l'horloge à vapeur de rubidium s'est mise à tictaquer cinq fois plus régulièrement.

On peut peigner la lumière, comme on peigne des cheveux. Au lieu des cheveux, ce sont des fréquences ; au lieu du peigne, c'est un laser. On obtient un peigne composé de milliers de « dents » de fréquences régulières. Un tel peigne de lumière aide à étudier les molécules et à mesurer le temps avec une précision de l'ordre de la quadrillionième de seconde.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais est arrêté par l'eau et le métal. C'est pourquoi ces ondes sont utilisées dans les scanners de sécurité et pour le contrôle qualité des matériaux.

Un récepteur radio classique capte les ondes avec une antenne métallique. Ici, l'antenne est un atome unique dont l'électron est placé sur une orbite très lointaine – comme un satellite sur une orbite haute autour de la Terre. Ces atomes sont appelés atomes de Rydberg.

L'atome d'hélium est comme un système solaire miniature : les électrons tournent autour du noyau, mais leurs orbites sont régies par des règles strictes. Les scientifiques ont appris à observer ces mouvements avec une précision incroyable.

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

L'électron est une particule minuscule, mais dans un cristal, il se comporte comme s'il avait une masse différente. C'est ce qu'on appelle la masse effective. Pour la mesurer, les physiciens font courir les électrons en rond dans un champ magnétique — comme un patineur sur une patinoire à qui l'on ne permet pas de quitter son orbite.

Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.

Le trou noir du système binaire Swift J1727.8-1613 scintille en rayons X comme un feu de camp dans le vent. Mais si l'on observe attentivement le rythme de ce scintillement, on distingue des « bosses » nettes — des sursauts à certaines fréquences, semblables à des battements de tambour dans le bruit d'une foule.

La théorie de la gravité d'Einstein — la relativité générale — ne rencontre presque jamais la physique quantique dans des expériences directes. Ici, les scientifiques ont construit sur une table un labyrinthe de 50 km de verre et y ont envoyé des photons uniques.