cohérence spatiale

Dans un aquarium de la taille d'une table de salle à manger, deux bancs de néons noirs nagent dans des compartiments voisins, séparés par une paroi transparente. Ils ne peuvent pas se toucher, mais ils voient chaque mouvement. Et voici ce qui est surprenant : quand un banc décide de tourner à gauche, l'autre fait de même un instant plus tard.

Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit collectif, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt l'assistance. Le monde quantique fonctionne de la même manière : les atomes piégés peuvent se comporter comme un tout cohérent ou se disperser en individus indépendants.

Un faisceau laser faible tombe sur une minuscule structure — une cavité hybride en métal et en verre. À l'intérieur est piégée une seule molécule fluorescente. D'ordinaire, une telle lumière ne fait que légèrement changer de couleur en se diffusant sur les vibrations thermiques des atomes.

Un chœur où chaque chanteur tombe juste sur les notes sonne plus fort que ce à quoi on pourrait s’attendre d’une simple somme des voix. Cent personnes ne chantent pas cent fois, mais dix mille fois plus fort qu’une seule. Dans le monde des atomes, il se passe quelque chose de similaire. Lors du comportement collectif, découvert par Robert H.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent dans toutes les directions. Jetez une poignée de pierres d'un coup, et les cercles se superposent : on ne distingue plus qui a fait quoi. C'est à peu près ce à quoi ressemble un faisceau de neutrons arrivant sur un détecteur : une tache lumineuse, floutée par de nombreuses causes.

Un interprète enregistre une conversation de plusieurs heures. S'il tente de garder en tête tout le dialogue d'un bloc, il finira inévitablement par déformer les détails. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les observatoires gravitationnels : ils écoutent la « conversation » de corps massifs qui se rapprochent en spirale.

La lumière d'une ampoule ordinaire semble complètement désordonnée : ses ondes oscillent de manière incohérente, comme une foule où chacun va dans sa propre direction. On appelle cela la lumière incohérente.

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.

Un régiment de soldats défile sur la place d'armes. Tant que chacun suit le pas, le mouvement reste net et coordonné. Mais dès que quelqu'un casse le rythme, la cohésion se perd. Dans le monde microscopique, les électrons jouent ce rôle de troupe : lorsque leurs oscillations sont synchrones, la matière émet une raie fine et nette.

La flamme d'une bougie vacille sous un courant d'air, mais ne s'éteint pas : la langue de feu ne fait que changer de forme un instant puis revient. C'est à peu près ce que font les skyrmions optiques — de minuscules tourbillons dans le champ d'un faisceau, rappelant des remous en spirale.

Une pierre tombe dans un étang. Les rides se propagent, s'amortissent — et voilà que la surface redevient lisse. Mais que se passe-t-il si l'étang n'a ni rives, ni fond, ni même de taille caractéristique de vague ? C'est précisément dans un tel monde — un monde sans échelle — que vivent les systèmes quantiques lorsqu'ils sont entourés d'un environnement qui ne privilégie aucune longueur ni énergie.

La lumière, en traversant un milieu trouble — par exemple un verre de lait ou du verre dépoli — se diffuse dans toutes les directions. Mais parfois, au lieu de se disperser, elle reste piégée dans de minuscules « poches » à l'intérieur du matériau. Ces poches, les physiciens les appellent des modes localisés : la lumière y tombe comme dans un piège et ne peut plus en sortir.

Une boîte quantique, c'est comme une lampe unique qui s'allume et s'éteint sur commande d'un laser, émettant exactement un photon à la fois. Mais cette lumière a une particularité : les photons ne s'entendent pas entre eux, ils volent indépendamment, comme des gouttes aléatoires d'un robinet.

La lumière d'une simple ampoule se disperse généralement dans toutes les directions, et la capter en quantités exactement égales dans plusieurs canaux relève du casse-tête. Dans ces nouveaux travaux, la lumière est divisée en neuf faisceaux identiques sans une seule lentille ni miroir.

Un laser ordinaire amplifie la lumière en un faisceau intense. Si l'on inverse ce processus, on obtient un antilaser — un dispositif qui aspire la lumière sans laisser de résidu. Mais une telle machine est capricieuse : il suffit d'un léger désordre pour que l'absorption échoue. Des physiciens ont trouvé le moyen de rendre un antilaser invulnérable.

Le pointeur laser éclaire d'une tache régulière : toutes ses ondes lumineuses marchent au pas, comme des soldats en parade. On appelle cette lumière cohérente. Mais dans la nature et dans la technique, on rencontre une autre lumière — « ébouriffée », dont les ondes ne sont pas synchronisées, comme une foule sur un marché. On l'appelle partiellement cohérente.

Une particule quantique peut se trouver à deux endroits à la fois, mais jamais un objet macroscopique. La faute aux perturbations qui transforment l'ordre en chaos et augmentent l'entropie ?

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

En 2019, le télescope Event Horizon a offert à l'humanité la première image de l'ombre d'un trou noir. Depuis, les astrophysiciens rêvent de plus : voir comment la matière se déplace dans l'entonnoir même de l'espace-temps. L'une des énigmes est le chaos.