jonction tunnel

On ne construit pas une route en démolissant les maisons voisines : on pose d'abord l'asphalte, puis on meule l'excédent pour laisser une chaussée bien plane. C'est à peu près ce qu'ont fait les physiciens de Heidelberg en se lançant dans la production de jonctions Josephson, ces minuscules sandwiches de supraconducteur et d'isolant à travers lesquels le courant circule sans résistance.

La jonction Josephson est un pont de supraconducteur séparé par une couche isolante extrêmement mince. Un courant la traverse même en l'absence de tension. Mais lorsque le courant devient trop important, le pont se met à osciller, et des marches régulières apparaissent sur le graphique de la tension : les marches de Shapiro.

Goutte à goutte du robinet — ou jet régulier sans une seule éclaboussure. C'est à peu près ainsi que se présentent les deux régimes de courant dans un contact supraconducteur. Seulement, au lieu de l'eau, ce sont des paires de Cooper — des électrons liés qui se déplacent sans résistance.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

Le livre est ouvert au milieu. Le courant circule le long de la tranche, tandis que les pages restent froides. C'est à peu près ainsi que fonctionne un isolant topologique bidimensionnel : un matériau où l'électricité ne circule que sur les bords, l'intérieur restant immobile.

Tout commence par une minuscule cicatrice : un mince tunnel qui relie deux univers. En cosmologie quantique, on discute depuis longtemps de la possibilité que notre univers fermé soit né de « rien » par effet tunnel (c'est-à-dire qu'un système franchit une barrière infranchissable selon les lois classiques).

Le paradoxe classique de Mpemba — l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide — a intrigué les scientifiques pendant des siècles. Ce n'est que récemment que la mécanique statistique hors d'équilibre a expliqué : tout est une question de conditions aux limites ; le système semble chercher une occasion de « heurter le mur » pour accélérer le…

L'effet tunnel quantique — la capacité des particules à franchir des barrières interdites par la physique classique — alimente les étoiles par fusion nucléaire, allume la nucléosynthèse primordiale et nous offre la mémoire flash.

En montagne, il existe un col : un point où le sentier bascule d'une vallée à l'autre. En se plaçant exactement dessus, on fait un pas et l'on descend déjà sur le versant opposé. En chimie, cet endroit s'appelle l'état de transition : un instant fugace où les atomes se figent sur le seuil de la transformation.

Une balançoire peut se balancer fortement ou à peine perceptible. Habituellement, si on n'y touche pas, elle reste dans le mode choisi. Mais dans le monde microscopique, c'est différent : une minuscule membrane, oscillant sous l'effet d'un faisceau laser, peut spontanément sauter d'une amplitude à une autre.

L'atome est comme un chef d'orchestre, et la lumière dans le résonateur, l'orchestre. L'échange d'énergie entre eux, connu sous le nom d'interaction de Jaynes-Cummings (partie du modèle standard), permet à l'atome de modifier le rythme et le timbre des oscillations par des gestes de sa « baguette ».

Un minuscule aimant flotte dans un piège magnétique, telle une aiguille en apesanteur. Son axe magnétisé est comme l'aiguille obstinée d'une boussole à qui l'on interdit de tourner. Devant elle se dresse un mur invisible.

Le néant quantique ressemble à de l'eau dans une casserole avant l'ébullition. De temps en temps, une bulle y gonfle spontanément – non pas de vapeur, mais d'un univers entier. Cette bulle ne s'effondre pas ; elle se dilate en un espace-temps, déclenchant son propre Big Bang. La question est de savoir à quelle fréquence cela se produit.

Une pierre tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface. Mais si la pierre est très petite et que l'eau n'est pas tout à fait ordinaire, les cercles la traversent sans même la remarquer.

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

Les particules quantiques peuvent franchir les obstacles, un peu comme une balle qui se retrouverait soudain à l'intérieur d'une colline et en ressortirait de l'autre côté. Cet effet tunnel a été expliqué par George Gamow en cherchant à comprendre comment les particules s'échappent du noyau atomique.

Une clé USB ordinaire dans votre poche chauffe, même lorsqu'elle ne fait rien. Imaginez maintenant une mémoire qui, dans le froid, ne consomme presque rien — comme un thermos qui ne refroidit pas. Le supraconducteur conduit le courant sans pertes à la température de l'hélium liquide, mais il ne savait pas stocker de données.

Une pince optique est un faisceau laser qui maintient un atome en un point précis, comme des doigts tiennent un petit pois. De ces pinces, on assemble des réseaux entiers d'atomes – la base des futurs ordinateurs quantiques. Mais il y a un problème : tous les pièges ne capturent pas un atome.

À l'intérieur de chaque neurone se trouve un canal long et fin — l'axone — par lequel le signal va du corps cellulaire aux autres cellules. Pour que ce canal fonctionne, des mitochondries — ces minuscules organites qui produisent l'énergie — y circulent en permanence. Elles se déplacent dans les deux sens, comme des voitures sur une route étroite.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

Une rivière coule vers un tourbillon, mais sur son chemin se dresse un barrage percé d'une fente. La majeure partie de l'eau s'accumule devant le barrage, mais une partie, après avoir pris de la hauteur, le survole et tombe directement dans le gouffre.

Les circuits supraconducteurs sont souvent construits sur des jonctions Josephson — des endroits où le courant circule sans résistance à travers une barrière mince. Habituellement, cette barrière est une couche d'oxyde, mais ses propriétés sont difficiles à contrôler à l'échelle nanométrique.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme une nappe parfaitement lisse sur laquelle roulent des billes électroniques. Placez une barrière électrique sur le chemin de ces billes — normalement, elles rebondissent.

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 qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

Un canal ionique dans la membrane cellulaire est une porte large de quelques atomes. Chaque seconde, des millions de particules chargées — des ions sodium et potassium — le traversent.

Dans un cristal métallique, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des briques dans un mur. Mais si l'on retire une brique, il reste un vide — on appelle cela une lacune. Sous irradiation, ces vides deviennent nombreux, ils commencent à fusionner en grands trous, et le métal perd de sa résistance.

Les électrons dans un conducteur se comportent comme une foule dans un escalator : chacun va à son rythme, mais ensemble ils créent un flux. Si on les fait tourner en anneau, leur moment angulaire (une mesure de la rotation) peut se coupler au champ magnétique, comme des engrenages dans une horloge.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer strictement sa note. Mais dans la salle, il y a des bruits invisibles — des défauts dans les contacts supraconducteurs qui font perdre le rythme aux qubits. Ces défauts sont appelés systèmes à deux niveaux.

Dans les circuits supraconducteurs qui composent les ordinateurs quantiques, des particules supplémentaires — les quasiparticules — naissent de temps à autre. Elles ressemblent à des passants imprévus qui font irruption dans le travail du processeur et gâchent les calculs.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Dans un supraconducteur, les électrons se déplacent par paires, comme des couples de danseurs. En général, une seule paire traverse un contact entre deux supraconducteurs à la fois. Mais si l'on ajoute un troisième contact, la danse se complique : deux paires peuvent se mouvoir ensemble, formant un quatuor.

Un fil ordinaire à haute fréquence ressemble à une route pleine de nids-de-poule : le signal saute, une partie de l'énergie se dissipe en chaleur. Une chaîne supraconductrice en aluminium et en arséniure d'indium (un semi-conducteur) s'est révélée être une piste lisse pour les micro-ondes.

Le son dans une plaque mince se comporte comme des rides sur l'eau : il se propage, se réfléchit sur les bords, change de forme. Mais le son a une particularité : il sait traverser des endroits où l'onde est interdite. C'est comme si les rides d'un étang disparaissaient soudain devant une cloison de pierre et réapparaissaient de l'autre côté, sans la contourner.

Cinq atomes de calcium chargés flottent dans un piège, maintenus par des champs électriques. Le refroidissement laser leur retire l'excès d'énergie, et ils s'alignent en une minuscule pyramide à base carrée.

Un bit quantique, c'est comme un diapason qui vibre à sa propre fréquence. Pour connaître son état, on place à côté un microphone-résonateur.

Dans le monde quantique, les particules peuvent traverser les murs : c'est l'effet tunnel, décrit par le modèle standard.

Une minuscule pointe de tungstène d'un rayon inférieur à cent nanomètres – la scène idéale pour observer le spectacle quantique. Il suffit d'appliquer un champ électrique de quelques volts par nanomètre pour que des électrons s'échappent du métal : c'est l'émission de champ.