silicium

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.

Une particule pénètre dans une plaque de silicium comme un coursier dans une ville inconnue : elle ne doit pas seulement livrer son signal, mais aussi laisser une trace précise de l'heure de son passage.

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Le faisceau laser d'une pince optique n'est pas simplement une tache de lumière, c'est un sac de forces. Une particule qui y pénètre roule généralement vers le point le plus lumineux, comme une bille au fond d'un trou.

Créer un nœud de réseau quantique, c'est un peu comme apprendre à un danseur à tenir en équilibre sur un fil de carbone au-dessus d'un gouffre. Une jambe doit se détacher facilement du support, lançant des photons-messagers vers le monde extérieur.

Les cristaux de pérovskite captent la lumière du soleil presque comme le silicium, mais ils coûtent trois fois rien. Leur problème, c'est une fragilité innée : la chaleur et l'eau ordinaire de l'air les rendent « malades ».

Le jeune super-Jupiter exoplanète TWA5B – une boule incandescente de 25 masses joviennes – flotte à une cinquantaine d'années-lumière de nous. Sa faible lueur infrarouge a longtemps masqué sa composition chimique.

L'ordinateur quantique ressemble à un orchestre : chaque musicien joue sa partition, mais le moindre bruit dans la salle peut déstabiliser tout l'ensemble. Les particules qui stockent l'information perdent facilement leur cohérence à cause des chocs thermiques ou des champs magnétiques errants.

L'acier n'est pas un monolithe, mais une mosaïque de grains microscopiques soudés les uns aux autres. Leurs jonctions — les joints de grains — sont le point le plus vulnérable : c'est là que les fissures commencent.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur, et il ne conduit généralement pas l'électricité. Mais si l'on ajoute quelques atomes étrangers dans son réseau cristallin, il peut devenir un semi-conducteur, comme le silicium dans les puces informatiques.

Le silicium est le matériau qui compose les processeurs de chaque téléphone et ordinateur portable. On a maintenant appris à y piéger un électron unique et à contrôler son spin — un minuscule aimant qui peut pointer vers le « haut » ou vers le « bas ».

Le carbure de silicium est un matériau qui sert de blindage pour l'électronique. Il résiste à la chaleur, aux chocs et aux radiations, comme la tuile en céramique sur le bouclier thermique d'un vaisseau spatial.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition à la perfection, sinon la mélodie s'effondre. Autrefois, pour diriger les qubits – ces « musiciens » quantiques – il fallait une salle entière d'équipements, et chaque fil supplémentaire ajoutait du bruit.

Un panier tressé en bambou n'est pas qu'un simple objet du quotidien : c'est aussi un schéma précis de l'arrangement des atomes dans le cristal YMn₆Sn₆. Six atomes de manganèse forment des hexagones qui s'assemblent en un motif rappelant le kagome japonais. Dans un tel réseau, les électrons se comportent généralement tous de la même manière, comme des passagers dans un métro bondé.

Dans un accélérateur de particules, les noyaux se brisent en fragments, comme une tasse en porcelaine qui tombe. Chaque fragment traverse des plaques de silicium qui enregistrent l'impact et sa force. Mais pour distinguer un vrai signal du bruit aléatoire, il faut fixer un seuil : en dessous de ce seuil, les lectures sont considérées comme du bruit.

Au cœur de chaque disque dur ou clé USB se cache un matériau qui sait « mémoriser » un champ électrique. On appelle ce matériau un ferroélectrique. Si on lui applique une tension, de minuscules régions — les domaines — se retournent à l'intérieur du cristal, comme les aiguilles d'une boussole.

Un transistor de puissance en carbure de silicium fonctionne sous une tension des milliers de fois supérieure à celle du secteur. Si le champ se répartit de manière inégale à l'intérieur, le composant grille. Auparavant, on ne pouvait pas voir ce champ : il est trop intense pour les capteurs ordinaires, et le composant doit rester sous tension.

Une puce de silicium de la taille d'un ongle contient des milliards de minuscules interrupteurs. Mais pour un ordinateur quantique, il ne faut pas des interrupteurs, mais des électrons individuels piégés dans des cavités microscopiques. Ces cavités sont des points quantiques.

Le silicium est comme un bloc de construction universel : on en fait les puces de nos téléphones, les panneaux solaires et les lasers. Mais si on le comprime avec une force énorme, les atomes se réorganisent en de nouveaux motifs – on appelle ces formes des allotropes.

Un supraconducteur ordinaire fonctionne comme un conducteur parfait : les électrons s'associent en paires et se déplacent sans résistance.

Un supraconducteur ordinaire et un champ magnétique, c'est comme l'eau et le feu : le champ déchire les paires d'électrons qui transportent le courant sans résistance. Mais si, au lieu d'un film continu, on prend une poussière de minuscules grains d'aluminium, chacun recouvert d'une fine couche d'oxyde, la donne change.

Un four incandescent dans un atelier ou l'échappement brûlant d'une turbine, ce n'est pas seulement de la chaleur, c'est aussi une lumière invisible à l'œil humain. Les panneaux solaires classiques captent la lumière visible, mais ici il faut un récepteur pour le rayonnement thermique invisible.

Un cristal, c'est comme une mosaïque parfaitement posée d'atomes. Mais faire pousser une telle mosaïque est un problème corsé : si l'ordre se dérègle un peu, apparaissent des « joints » — des frontières où les rangées d'atomes ne coïncident pas. Pour l'électronique ordinaire, c'est un détail ; pour un ordinateur quantique, c'est une catastrophe.

Un photon, c'est comme une voiture dans un parking à étages, où chaque étage représente sa fréquence (sa couleur). D'habitude, il reste coincé au même niveau, mais des chercheurs ont ajouté un ascenseur : un modulateur programmable qui déplace le photon d'un étage à l'autre sur commande.

L'électronique chauffe. Plus le processeur est puissant, plus il faut évacuer de chaleur, sinon il tombe en panne. L'un des goulots d'étranglement est la frontière entre deux matériaux : la chaleur bute dessus comme sur un joint entre des carreaux et ralentit.

Chaque électron est comme une toupie : il tourne sur lui-même. Cette rotation s'appelle le spin. Dans l'électronique classique, on n'utilise pas le spin, seulement la charge. Et c'est dommage : si l'on savait contrôler le spin, les puces deviendraient plus rapides et plus économes.

Les couches d'atomes torsadées dans un matériau forment un motif de minuscules zones — les domaines, chacun pouvant être électrisé dans l'une des deux directions, comme l'aiguille d'une boussole pointant vers le nord ou le sud.

Si l'on chauffe une extrémité d'un conducteur et que l'on maintient l'autre froide, les électrons commencent à se déplacer du chaud vers le froid. Cela crée généralement une tension le long du conducteur, comme l'eau qui s'écoule dans une gouttière inclinée. Mais dans certains matériaux, les électrons dévient latéralement, et la tension apparaît en travers.

Le noyau d'un atome a généralement une forme bien définie – allongée comme un melon, ou aplatie comme une citrouille. Mais le silicium-30 se comporte différemment : il semble incapable de décider quelle forme adopter.

Dans un cristal de silicium, un atome de phosphore retient un électron supplémentaire sur deux orbites très proches. Ces orbites ressemblent à deux étages voisins d'un immeuble, avec un escalier presque invisible.

Dans un cristal de carbure de silicium, semblable à une pierre transparente, se cachent des défauts — des endroits où les atomes ne sont pas alignés. L'un de ces défauts fonctionne comme un nœud quantique : l'électron à l'intérieur tourne et traite l'information, tandis que le noyau de l'atome voisin la stocke discrètement.

Un ordinateur quantique est une machine où, au lieu de bits ordinaires, ce sont des qubits qui travaillent. Un qubit peut être non seulement un zéro ou un un, mais aussi les deux à la fois. Une façon de fabriquer un qubit est de prendre un électron et de le faire planer au-dessus d'une surface d'hélium liquide.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les électrons et les noyaux jouent d'instruments différents. D'habitude, le chef a besoin de deux baguettes : les micro-ondes pour les électrons et les ondes radio pour les noyaux.

Dans le désert d'Atacama, au Chili, à près de cinq kilomètres d'altitude, se dresse un radiotélescope qui capte les ondes millimétriques venues des profondeurs de l'espace.

Une plaquette de silicium, c'est comme une pâte à biscuits. On la chauffe au four, et à l'intérieur apparaissent de minuscules pépites : des défauts du réseau cristallin capables d'émettre des photons uniques.

Accorder un piano est une affaire délicate. On frappe une corde, et les voisines répondent. C'est un peu le comportement d'une puce de silicium avec des défauts cristallins, que les physiciens préparent pour le calcul quantique. Dans le cristal de carbure de silicium (SiC), il existe des points particuliers — les lacunes de silicium.

Un cristal d'un atome d'épaisseur, c'est comme une feuille de papier sur laquelle on peut écrire avec de l'électricité. Un tel matériau pourrait devenir la base de micropuces minuscules et rapides. Mais avant de le lancer dans la production, il faut savoir précisément de quoi il est fait. Et c'est là qu'on découvre que la formule habituelle ne colle pas.

Une minuscule lamelle de cristal repose sur un substrat, comme une feuille d'automne sur une paume. Son épaisseur est plus fine qu'un cheveu humain, et pourtant des effets quantiques bouillonnent à l'intérieur : supraconductivité, ordre magnétique, liquide de spin quantique.

Une poignée de nanocristaux de sulfure de plomb, recouverts de molécules chargées, s'organise spontanément en un réseau cristallin parfait. Chaque nanocristal est comme une brique de quelques nanomètres, et les molécules chargées à sa surface jouent le rôle de mortier.