vapeur de rubidium

On n'emmenait pas un canari dans la mine pour son chant. L'oiseau tombait de son perchoir avant que le mineur ne remarque le monoxyde de carbone. Dans un vide poussé, le rôle du canari est joué par un nuage de cent mille atomes de lithium ou de rubidium.

La scène est baignée d'une lumière glaciale, et des spectateurs en silicium y sont alignés. Chacun est une matrice de minuscules diodes à avalanche, capables de détecter un photon unique, mais seulement si la température ambiante descend à 165 K.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

Dans un laboratoire parisien, on a fait contourner un obstacle à de la lumière, comme l'eau contourne une pierre dans un ruisseau. Mais ici, l'eau est particulière : elle ne ressent aucun frottement.

Chaque seconde, des milliers d'avions de ligne dans le ciel émettent des signaux radio – c'est ainsi que les contrôleurs aériens voient où se trouve chaque appareil. Ces signaux ne se propagent pas en ligne droite : l'air, selon son humidité, les courbe comme une lentille.

Dans le microscope qui voit les atomes individuels, règnent le froid et le silence : la température est d'environ -268°C et l'intérieur est sous vide parfait. Pour déposer des atomes de fer individuels sur une telle scène, il faut généralement un « couloir » direct entre l'évaporateur et l'échantillon.

Un faisceau lumineux entre dans une cuve en verre contenant de la vapeur de césium et modifie l'état interne des atomes : c'est ainsi que l'information est enregistrée. Un instant plus tard, un autre faisceau la lit en observant comment les atomes absorbent la lumière. Ce n'est pas un disque dur, mais plutôt un carnet qui tourne les pages tout seul.

Un faisceau laser traverse une cellule en verre contenant de la vapeur de césium. Les atomes de la vapeur se déplacent de manière chaotique, comme une foule dans une gare : chacun entre dans le faisceau, y reste un instant, puis en ressort. Leur état interne — une sorte d'orientation d'un minuscule aimant — est modifié par la lumière.

Un récepteur radio de la taille d'une paume peut mesurer la puissance d'un signal plus précisément que des bancs de laboratoire coûteux. À l'intérieur, pas de bobines ni d'antennes — seulement une tête en verre et un nuage d'atomes de rubidium refroidis à presque zéro absolu.

La radiothérapie est un tir ciblé sur la tumeur, mais chaque tir doit être réglé au millimètre et à la fraction de seconde près. Le problème, c'est que les dosimètres existants sont soit encombrants, soit ils perturbent eux-mêmes le faisceau, soit ils nécessitent des pauses pour la lecture.

Dans une pièce, l'air touche la peau et nous en ressentons la température. Mais si le corps se mettait soudainement à accélérer de manière colossale, la chaleur surgirait même du vide absolu.

Le vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Si un observateur se déplace avec une accélération, le vide autour de lui se réchauffe — c'est ce qu'a prédit William Unruh dès les années 1970. L'effet ressemble au rayonnement d'un trou noir, mais en espace plat.

Dans une petite boîte de Pétri, une goutte de liquide de la taille d'une tête d'épingle. Un scanner IRM classique ne la verrait même pas : le signal est trop faible. Mais si l'on approche un minuscule capteur de champ magnétique de la goutte, tout change.

La lumière d'une ampoule, ou même d'un laser ordinaire, évoque la foule à la sortie du métro : les gens avancent en désordre, tantôt denses, tantôt espacés. Les physiciens appellent ce comportement le bruit de grenaille — ce sont les fluctuations aléatoires du nombre de particules qui arrivent par seconde.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

Une casserole en aluminium sur la cuisinière fond à 660 degrés Celsius, tout le monde le sait. Mais que se passe-t-il si on chauffe l'aluminium cent fois plus fort ? Le liquide se met à bouillir, et c'est là que le mystère commence : à quelle température exactement ?

Un morceau de métal chauffé à blanc dans un four, c'est comme une poêle sur la cuisinière : plus la chaleur est forte, plus elle se propage vite dans votre main si vous la touchez.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

À l'intérieur d'une capsule de verre de la taille d'un petit pois, des atomes de rubidium flottent en suspension. Un faisceau laser les amène dans un état particulier — l'état de Rydberg — où l'électron s'éloigne du noyau et l'atome devient extrêmement sensible aux champs extérieurs.

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 gaz est presque invisible, mais il a une température, et on peut la lire dans la façon dont il « masque » le fond thermique. Dans l'expérience, une caméra observe un écran chaud à travers un jet de dioxyde de carbone. Si le gaz est plus froid que le fond, il apparaît comme une tache sombre ; s'il est plus chaud, comme une tache claire.

Dans une ampoule en verre hermétique, de la taille d'un doigt, bout une vapeur métallique. Le composant principal est le césium, mais il cache un pour cent de rubidium. Un faisceau laser à une longueur d'onde de 795 nanomètres détecte cette impureté et la fait briller.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Lorsqu'une planète passe devant son étoile, une partie de la lumière stellaire est filtrée à travers son atmosphère. Les gaz de l'atmosphère absorbent certaines couleurs et en laissent passer d'autres, comme les vitraux colorés. En observant quelles couleurs sont atténuées, on peut déterminer la composition de l'air de ce monde lointain.

Un peigne ordinaire sépare les cheveux en mèches régulières. Un « peigne » laser fait de même avec la lumière : il n'émet pas une seule couleur, mais des milliers de couleurs, espacées par des pas de fréquence strictement identiques.

Deux faisceaux laser se croisent sous un angle minuscule – et un réseau invisible apparaît dans le nuage d'atomes de rubidium : certains atomes sont excités, d'autres non. Ce réseau commence ensuite à s'estomper, comme un dessin sur le sable effacé par le vent. Les atomes entrent en collision avec les molécules du gaz environnant et se dispersent.

Une cage de soixante atomes de carbone, semblable à un ballon de football, laisse entrer de petites molécules. Les fullerènes, ces billes de carbone, sont empilés en cristal comme des oranges dans une caisse — il reste des vides entre eux.

Un objet rouge lointain signifie généralement une chose : un rideau de poussière devant un disque incandescent qui tombe dans un trou noir. Mais lorsque James Webb a décomposé sa lumière en nuances, une ombre est apparue à l'intérieur — exactement comme la vapeur d'eau bouillante intercepte les rayons.

Une minuscule particule d'oxyde de vanadium se comporte comme une fenêtre à transparence réglable : dans un état, elle laisse passer la lumière infrarouge, dans l'autre, elle commence à l'absorber.

Un thermomètre qui ne ment pas pendant des années. Les thermomètres à résistance ordinaires, même très précis, finissent par se tromper avec le temps : le matériau vieillit, les contacts s'oxydent, et les lectures dérivent.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

Un morceau de matériau brille en bleu. On le chauffe, et la lueur devient verte, comme si quelqu'un avait actionné un feu tricolore. C'est ainsi que fonctionne le nouveau thermomètre luminescent décrit dans l'article. À l'intérieur du matériau se trouvent des ions de terbium, un métal de terre rare qui sait émettre de la lumière.

Un faisceau laser traverse une cuve en verre contenant de la vapeur de rubidium, et la façon dont les atomes absorbent la lumière révèle leur température. C'est comparable à la mesure de la vitesse des voitures par le flou d'une photo : plus les atomes se déplacent vite, plus la raie d'absorption s'élargit.

Dans les nuages froids et ténus de l'espace, les particules se rencontrent rarement, mais parfois un ion et une molécule neutre passent assez près l'un de l'autre pour s'agglutiner. Ce faisant, ils émettent de la lumière – comme un éclair étouffé qui emporte l'excès d'énergie.

Tout appareil, du grille-pain au smartphone, chauffe lorsqu'il fonctionne. C'est le résultat inévitable de la transformation de l'énergie : il reste toujours une trace thermique, comme une plaque de cuisson encore chaude après la cuisson.