couplage spin-orbite

Régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence lorsqu'on franchit une frontière de phase : c'est ainsi qu'on peut se représenter la tâche des chercheurs.

Un cartographe qui ne dessine ni montagnes ni rivières, mais les liens invisibles entre les électrons : c'est ainsi qu'on pourrait décrire ce nouveau réseau de neurones. Au lieu des coordonnées atomiques, il prend les orbitales moléculaires et trace un graphe dont les nœuds sont les orbitales et les arêtes, les mesures de leur intrication quantique.

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant : il tremble sous l'effet du vent solaire, des orages lointains, du métro. Pour remarquer ces tremblements, il faut un instrument qui ne tremble pas lui-même. Des physiciens ont assemblé un tel instrument à partir d'atomes d'ytterbium refroidis presque au zéro absolu.

Un atome d'erbium isolé repose sur un substrat d'argent, et son spin — la rotation interne de l'électron — stocke l'information quantique. Auparavant, pour inverser ce spin, il fallait une impulsion magnétique : un outil grossier qui affecte les voisins et fonctionne lentement.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

$$10^{-35}$$ secondes. Un instant minuscule pendant lequel l'Univers réussit à s'étendre d'un facteur $$10^{26}$$. Juste après, il traverse des milliers de transformations rapides — comme une bille bondissant dans une chaîne de tunnels. Cette cascade constitue l'essence de l'inflation en chaîne, proposée pour la première fois par Alan Guth.

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.

Une paire de trous noirs tourne dans une danse, se rapprochant progressivement. Ils perdent de l'énergie et de la rotation — ce processus est appelé émission de moment cinétique. Dans la théorie standard d'Einstein, seules les ondes gravitationnelles emportent le moment.

Un escalier en colimaçon sur lequel roulent des billes. Les unes tournent à droite, les autres à gauche. Les marches sont disposées de telle sorte que les billes qui tournent à droite passent plus vite, tandis que celles qui tournent à gauche restent coincées. C'est à peu près ce qui se passe à l'intérieur des molécules hélicoïdales — par exemple, dans la double hélice de l'ADN.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.

Les ordinateurs quantiques du futur communiqueront probablement par la lumière. L'atome stocke l'information, et le photon la transporte à travers le réseau. Mais l'atome ne reste pas immobile : il tremble, il oscille, et ce mouvement peut altérer le signal. Auparavant, les ingénieurs ne savaient calculer que le cas d'un atome immobile.

Une feuille de papier quadrillée, une feuille en losanges et une feuille en nid d'abeille : trois univers différents pour une fourmi. Changez la feuille, et les règles du mouvement changent. C'est à peu près ainsi que les électrons perçoivent le réseau cristallin : la géométrie dicte s'ils seront des aimants, des supraconducteurs ou autre chose.

Un minuscule cristal d'atomes chargés, piégé dans une trappe, tremble de chaleur. Chaque ion oscille comme une bille au bout d'un ressort, et ces vibrations gênent l'utilisation du cristal pour des opérations quantiques précises.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

Tout instrument de mesure est perturbé par le bruit quantique — ce frémissement chaotique des particules élémentaires. Pour l'apprivoiser, des physiciens ont appliqué aux molécules de fluorure de calcium une astuce comparable à la compression d'un ballon de baudruche : on appuie à un endroit, et cela gonfle à un autre.

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.

On fait passer un courant à travers un ressort de molécules organiques — et à la sortie, presque tous les électrons tournent dans le même sens. Ce tour de passe-passe s'appelle la sélectivité de spin chirale, et il a longtemps laissé les physiciens perplexes.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

La piste de danse est pleine : chacun se déplace à sa guise, personne ne se tient par la main. Soudain, la musique devient plus forte et plus rythmée — les voisins commencent à s'attraper, formant des couples qui tournoient en synchronie.

Retenir un numéro de téléphone alors que tout le monde crie et claque des portes autour de vous est presque impossible. C'est à peu près la vie d'un bit quantique – un qubit – dans un matériau ordinaire : les noyaux des atomes voisins, comme de minuscules aimants, le tirent constamment et effacent l'information. Pour que le qubit n'oublie pas, il faut lui trouver un endroit calme.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

Un jongleur lance des massues en étant assis sur une chaise tournante. S'il se met à faire tourner les massues toutes dans le même sens, la chaise partira dans le sens opposé — sinon la loi de conservation de la rotation serait violée.

Imaginez une salle bondée où chaque personne est une molécule et sa conversation privée, le mouvement des électrons en son sein. En temps normal, chacun parle pour soi et le bourdonnement général est chaotique. Mais si un projecteur puissant s'allume au centre de la salle, il se met à diriger la foule : les gens synchronisent leurs mouvements, même si la lumière ne fait que se réfléchir sur les murs.

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 ».

Dans les tout premiers instants de l'Univers, l'espace était rempli d'un plasma brûlant où les particules apparaissaient et disparaissaient, comme des bulles dans une casserole d'eau bouillante.

Un murmure dans une cascade rugissante — c'est à peu près ainsi que les physiciens cherchent l'effet gravitomagnétique, la minuscule influence de la gravité sur la rotation des particules. Dans les ions hautement chargés, où les électrons sont presque entièrement arrachés, cet effet devrait être plus visible.

Dans une salle vide, le son rebondit entre les murs et se transforme en écho grondant. La cavité optique est une chambre d'écho, mais pour la lumière.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

Un magnétomètre quantique à base de noyaux d'hydrogène fonctionne comme un casque à réduction de bruit active. Il « écoute » le champ de deux manières différentes en alternance : le bruit est identique dans les deux cas, mais le signal utile diffère.

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.

Un anneau d'atomes magnétiques évoque une ronde où chaque participant tient ses voisins par la main. Dans les aimants ordinaires, chaque atome possède son propre moment magnétique permanent, et ils interagissent comme de petites aiguilles qui cherchent à s'aligner en sens inverse.

Deux couches d'un matériau magnétique, tournées l'une par rapport à l'autre de quelques fractions de degré, comme deux grilles légèrement décalées sur une fenêtre. Dans leur état normal, elles ne produisent rien de particulier, mais à un certain angle de rotation, un effet inattendu apparaît dans le matériau.

Le laser frappe un atome de strontium, et deux électrons s'en échappent d'un coup. On pensait auparavant que lors d'une telle double ionisation, chaque électron agissait de son côté : l'un est éjecté en premier, l'autre plus tard, au hasard.

Un minuscule diamant flotte dans l'air, maintenu par un champ électrique, comme un grain de poussière dans un rayon de lumière. À l'intérieur se cachent des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec un vide à côté.

Lorsque la lumière arrache un électron d'une molécule, les électrons restants ne restent pas immobiles — ils se réorganisent, comme des passagers dans un wagon quand l'un d'eux descend à un arrêt.

Un qubit, c'est comme un locataire dans un minuscule appartement : il occupe généralement l'étage inférieur pour ne pas être dérangé par les voisins du dessus. Dans les boîtes quantiques en germanium, où vivent les qubits de spin, ce locataire est un trou, c'est-à-dire un endroit sans électron.

Un supraconducteur ordinaire ressemble à une rangée de soldats marchant en couple : les électrons s'associent et leurs spins (les « toupies » internes) pointent dans des directions opposées. Un champ magnétique fait facilement basculer ces paires, détruisant la supraconductivité. Dans UTe₂, c'est différent.