chaîne de spins

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Une chaîne quantique ressemble à une guirlande lumineuse où les ampoules sont les spins des particules. Idéalement, toutes les ampoules clignotent en synchronie, suivant un rythme commun — c'est la symétrie. Mais si l'on coupe un morceau de la guirlande, le rythme peut se dérégler : à l'intérieur du segment, la symétrie est brisée.

Un cristal vert pâle a été placé dans un champ magnétique et refroidi à moins d'un kelvin, presque au zéro absolu. À l'intérieur se cachent des chaînes d'atomes de cuivre qui se comportent comme de minuscules aiguilles magnétiques.

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Chaque système — qu'il s'agisse d'un atome ou d'une chaîne de particules — résonne à ses propres fréquences, que les physiciens appellent niveaux d'énergie. Dans les systèmes chaotiques, comme dans un orchestre sans chef, ces fréquences remplissent généralement toute la plage disponible sans lacunes.

Les chaînes de spin quantiques évoquent une file de personnes se transmettant une poignée de main secrète : chacun se tourne vers son voisin, et la force de la poignée détermine la manière dont l'onde se propage le long de la chaîne.

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 photons intriqués s'éloignent dans des directions opposées, mais continuent de se comporter comme un seul ensemble : la mesure de l'un détermine instantanément l'état de l'autre. C'est cela, l'intrication quantique. Cependant, elle ressemble parfois à un espion expérimenté : elle ne laisse aucune trace visible lors d'un contrôle ordinaire.

Dans un piège à champs, des scientifiques ont assemblé un cristal de 150 ions à température extrêmement basse. Chaque ion se comporte comme un minuscule aimant capable de s'orienter dans toutes les directions.

Dans un fil ordinaire, l'électron est comme un coursier qui porte à la fois le colis et la signature du destinataire : sa charge et son spin sont toujours ensemble. Mais si le fil est réduit à l'épaisseur d'un atome, le coursier se sent à l'étroit.

Dans un liquide de spin, les atomes-aimants ne se figent pas : leurs aiguilles magnétiques scintillent en permanence, mais de manière coordonnée. Si cette danse s'enroule dans une seule direction, on obtient un liquide de spin chiral — un vortex quantique robuste.

Des physiciens ont trouvé les lois exactes selon lesquelles la liaison quantique se mélange dans les systèmes chaotiques. Dans un modèle soumis à des impulsions rythmiques — comme un cuisinier qui pétrit sa pâte — ils ont étudié la croissance de l'entropie d'intrication, mesure du désordre quantique.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

L'intrication quantique fonctionne comme une laisse : elle relie les particules, mais la longueur de cette attache est strictement limitée. Dans une chaîne de particules, la chaleur joue le rôle d'un chien impatient qui tire sur la laisse — plus il fait chaud, plus la distance à laquelle le lien tient encore est courte.

Un trou noir est un endroit d'où même la lumière ne peut s'échapper. Mais la théorie quantique affirme qu'il émet néanmoins une faible lueur. Cette lueur est appelée rayonnement de Hawking. Dans l'espace, on ne peut pas l'observer : il est trop faible. C'est pourquoi les physiciens construisent des modèles de trous noirs à partir de matériaux ordinaires.

Quatorze atomes de rubidium se sont alignés comme des perles sur un fil. Chaque atome est un minuscule aimant qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Ensemble, ils obéissent à des règles strictes, semblables à un horaire de trains : tout est prévisible, tout se répète. Mais il suffit d'une modification à peine perceptible pour que l'horaire déraille.

Dans une chaîne de spins froids étirée le long d'une ligne, l'ordre et le désordre peuvent s'entrelacer en un motif que les règles habituelles ne décrivent pas. Deux états de la matière, deux « ordres », sont séparés par un carrefour où les routes ne se rejoignent pas, mais divergent.