phase topologique

Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience.

Dans le monde quantique, les particules se divisent en deux camps irréconciliables : les bosons aiment se rassembler dans un même état (comme la lumière dans un laser), tandis que les fermions sont des individualistes qui n'occupent jamais la même place.

Deux villes avec la même densité de population moyenne. Dans l'une, un quadrillage soigné de quartiers ; dans l'autre, un labyrinthe de ruelles étroites et de places inattendues. Sur la carte globale, elles semblent jumelles, mais la vie à l'intérieur s'écoule de manière radicalement différente.

Dans un solide, les électrons sont généralement soit libres de se déplacer (métal), soit piégés sur place (isolant). Mais parfois, une forte répulsion mutuelle les enferme dans un état intermédiaire : les charges restent figées, tandis que les spins – ces petites aiguilles magnétiques – continuent de vivre leur vie.

Chaque particule active du nouveau modèle possède son propre rythme interne : elle tourne soit à gauche, soit à droite. La chiralité est la propriété clé : certaines tournent dans le sens horaire, d'autres dans le sens antihoraire.

Une étoile à neutrons, c'est une ville compressée aux dimensions d'une métropole, où la matière est condensée à l'extrême. Au centre même de cette ville, une restructuration peut commencer : les neutrons et protons familiers cèdent la place à un plasma de quarks — les quarks libres qui composent presque tout ce qui nous entoure.

Certains matériaux ont une structure interne semblable à un ruban de Möbius : leurs états électroniques sont tordus d'une manière particulière. On essaie généralement de modifier ces propriétés topologiques à l'aide d'un champ magnétique puissant, comme si l'on tentait d'aplatir le ruban à coups de masse.

D'habitude, on se représente un trou de ver comme un tunnel dans l'espace, dont les parois sont maintenues par quelque chose d'inhabituel – de la matière à énergie négative. Comme des étais dans une mine qui empêchent les voûtes de s'effondrer. Mais dans ces travaux, les physiciens se sont passés d'étais.

Quand on cherche ses clés, on passe en revue les endroits où elles pourraient être. Un oiseau qui, à l'automne, a glissé des centaines de graines dans des interstices les retrouve sans se tromper en hiver. Comment le cerveau peut-il contenir autant d'adresses si tous les oiseaux ont à peu près le même nombre de neurones ? La réponse se trouve dans la géométrie.

L'eau bouillonne derrière une pierre dans la rivière, l'air tourbillonne derrière l'aile d'un avion : on croirait un mouvement parfaitement désordonné. Mais les auteurs de ces travaux y ont trouvé une recette de cuisine rigoureuse. Ils ont décomposé la rotation du fluide (le moment cinétique) en deux parties indépendantes.

L'eau peut être de la glace, du liquide ou de la vapeur. Les physiciens appellent ces états des phases. En théorie, chaque phase a sa propre mesure — une façon de décrire à quel point elle est probable. Mais toute mesure que l'on peut imaginer ne se rencontre pas dans la nature. Certaines phases sont réelles, d'autres ne sont qu'une illusion mathématique.

Si l'on conserve le chocolat à une mauvaise température, il devient gris et cassant. Tout est une question d'arrangement des molécules de beurre de cacao entre elles. À différentes températures, elles forment six formes cristallines distinctes, et une seule d'entre elles — la forme V — donne une tablette brillante qui se casse net et fond en bouche.

Le monde quantique aime l'ordre, mais la réalité apporte souvent le désordre. Dans ces travaux, des physiciens étudient des chaînes unidimensionnelles de spins — de minuscules aiguilles magnétiques qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas.

Le cristal modifie sa géométrie interne, comme la charpente d'un bâtiment qui se déforme légèrement lors d'un tremblement de terre.

Les cellules à la surface de l'embryon ressemblent à des grains de riz qui peuvent s'aligner dans une même direction. Cet ordre est appelé nématique. Il apparaît lorsque les cellules commencent à agir de manière coordonnée, comme un banc de poissons qui nage dans une seule direction.

Un lézard qui tombe d'une branche ne fait pas que culbuter — il attrape l'air avec son corps et transforme sa chute en glissade. Les ingénieurs observent depuis longtemps ces acrobaties, mais jusqu'à présent, il n'existait pas de langage commun pour comparer le vol plané d'un serpent, d'un lézard et d'une aile artificielle.

Un ordinateur quantique tisse avec les qubits une sorte de fil, où chaque nœud est une particule et le lien entre eux est un entrelacement. Lorsqu'un physicien mesure un qubit, le fil se modifie : par endroits il se rompt, par endroits il se recoud, et parfois il apparaît une torsion.

La loi découverte par Wolfgang Pauli interdit à des particules identiques d'occuper la même place. De ce fait, dans la matière froide naît la mer de Fermi : les particules, comme l'eau, remplissent les niveaux d'énergie de bas en haut. La forme de la surface de la mer — y compris les « îles » de vide — dicte les propriétés de tout le système.