état triplet

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.

Le cristal PbCuTe₂O₆ évoque une toile tridimensionnelle tissée de cuivre, de tellure et d'oxygène. À l'intérieur, les moments magnétiques (de minuscules flèches associées aux spins des électrons) sont si intrigués qu'ils ne parviennent pas à s'aligner dans un ordre conventionnel, même au voisinage du zéro absolu.

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.

Sept danseurs entrent en scène. Ils se tiennent par la main de sorte que n'importe quel trio ou quatuor évolue en parfaite harmonie avec les autres — aucun groupe ne sort du rythme général. Dans le monde quantique, on appelle cela un état maximalement intriqué (AME en abrégé). C'est un nœud parfait où chaque partie connaît tout du tout.

Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs.

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.

La lumière frappe une molécule organique — et à l'intérieur naît une paire de jumeaux d'excitation. On les appelle paires de triplets.

Le noyau de carbone a longtemps été imaginé comme une sphère homogène de protons et de neutrons, mélangés uniformément, comme une pâte à tarte.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Les neutrinos sont de véritables fantômes du monde microscopique. Presque sans masse, sans charge, ils traversent les planètes comme si elles étaient vides. Mais à l'intérieur de chaque neutrino se cache non pas une particule, mais trois — trois « saveurs » (électronique, muonique et tau) qui se transforment constamment les unes dans les autres.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

L'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Dans le monde quantique, un paradoxe similaire se manifeste : plus l'équilibre est rompu, plus vite il se rétablit.

Une longue chaîne d'atomes, et chacun est un minuscule aimant. Ils se parlent entre eux et avec le champ commun, comme des musiciens dans un orchestre qui entendent à la fois le chef et leurs voisins. Lorsque le champ externe change, l'orchestre joue soit en désordre, soit tous les instruments entrent en synchronie — c'est cela, une transition de phase quantique.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

Deux trous noirs se percutent de plein fouet à grande vitesse, tandis qu'un troisième tourne à proximité. Dans la vie courante, un tel accident produirait une onde de choc d'ondes gravitationnelles (des ondulations de l'espace, comme celles d'un caillou jeté dans un étang).

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, et où tous ensemble créent une mélodie complexe : c'est ainsi qu'apparaît un nuage d'atomes dont les spins (rotations propres, comme de minuscules toupies) oscillent de manière coordonnée. D'habitude, ces toupies se comportent indépendamment.

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.

Les réseaux quantiques ont besoin d'un intermédiaire entre le stockage – le spin – et le transport – la lumière. Aucune molécule unique n'avait réussi à remplir ce rôle. Mais des physiciens viennent de trouver une solution. Ils ont placé une molécule de carbène dans un cristal et l'ont refroidie à -269°C.

Sous la lumière du soleil, les molécules de la bactérie, telles les fouets d'un batteur de cuisine, capturent l'énergie et font tourner les électrons dans la bonne direction. Mais parfois, la rotation se dérègle – des particules « coincées » appelées triplets se forment.

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.

Dans le silence du cosmos, le tissu de l'espace-temps frémit à peine : c'est le murmure quantique à l'échelle de 10⁻³⁵ m, longtemps considéré comme fondamentalement insaisissable. Mais les collisions de trous noirs peuvent le transformer en un cri assourdissant.

Deux points quantiques, c'est comme deux minuscules poches dans un morceau de silicium, où un électron peut se loger telle une bille dans un creux. Lorsque les poches sont éloignées, chaque électron vit sa vie, et son énergie ressemble à celle d'un atome isolé.

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.

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.

Une boîte quantique, c'est un peu comme un îlot minuscule où peuvent s'installer un ou plusieurs électrons. Dans cette nouvelle étude, un tel îlot a été relié à deux « mers » d'électrons : l'une plate comme une crêpe, l'autre en volume comme un océan. Les électrons peuvent sauter de l'îlot vers les mers et inversement, et ce saut dépend de la forme de la fonction d'onde de l'électron sur l'îlot.

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.

Une goutte d'eau sur la table semble calme, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique. Les protons des atomes d'hydrogène sont comme de petites toupies qui tournent sans cesse. Chacun a sa propre direction de rotation.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

Un ordinateur quantique à spins d'électrons ressemble à une rangée de minuscules toupies. Chaque toupie tourne soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire — c'est ce qu'on appelle un qubit. Pour connaître le résultat d'un calcul, on arrête généralement la toupie et on regarde de quel côté elle est tombée.

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.

Dans deux pièces miroir, placées perpendiculairement, vit un nuage d'atomes. Chaque atome est comme un chanteur dans un chœur : seul, il peut se taire, mais quand ses voisins commencent à chanter, il reprend.

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.

Sur une plaquette de silicium, semblable à un quartier de ville, les qubits — des électrons avec leur spin — vivent dans des « maisons » séparées. Autrefois, les voisins ne communiquaient que par-dessus la clôture, mais désormais une route a été tracée entre eux : le qubit peut se déplacer jusqu'à l'une des quatre stations.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.

Dans un cristal, les atomes occupent généralement leur place attitrée, comme des passagers dans un avion avec leurs billets. Mais dans ce matériau, le cuivre et le tantale ont pris des positions au hasard — comme si les billets avaient été mélangés. Les scientifiques ont observé le cristal à l'aide de rayons X et ont constaté que le désordre n'est pas seulement sur le papier, mais dans la disposition même des atomes.

Une boussole magnétique dans une éprouvette — cela semble être un tour de passe-passe, mais c'est de la physique pure. Dans une solution de fumarate (un sel d'acide malique), les noyaux de carbone-13 se comportent comme de minuscules toupies.

Dans un accélérateur, deux particules de Higgs entrent en collision. Pendant un instant fugace, leurs destins s'entrelacent, puis se séparent, emportant l'information de la rencontre.

Un minuscule diamant avec des défauts — des atomes d'azote ayant remplacé des atomes de carbone — recèle une particularité étonnante. Autour de chaque défaut tourne un électron supplémentaire, comme une toupie que l'on peut incliner par des impulsions radio.