angle de torsion

Il est plus facile de tourner le couvercle d'un bocal en attrapant son bord plutôt que son centre. Les cristaux lamellaires, comme le graphite, se comportent de manière similaire lorsque l'on tente de faire tourner leurs couches les unes par rapport aux autres : la résistance naît non pas de toute la surface de contact, mais seulement de son bord.

Une feuille de papier se déchire là où la tension dépasse la résistance. L'épithélium, la couche de cellules qui tapisse nos organes, se comporte de manière similaire, mais jusqu'à récemment, les modèles ne pouvaient pas montrer comment des fissures y apparaissent.

La molécule de triptycène évoque une étoile à trois branches rigides. Lorsqu'on dépose ces étoiles sur une surface de plomb, elles s'organisent spontanément en un motif qui rappelle un panier tressé : triangles et hexagones alternent, et à chaque nœud se trouve non pas une étoile, mais une paire.

Une serrure avec deux clés différentes : l'une tourne facilement, l'autre demande un effort notable. C'est ce que l'on observe avec deux couches de nitrure de bore hexagonal lorsqu'on les fait pivoter l'une par rapport à l'autre.

Un jeu de cartes où chaque carte est légèrement tournée ne peut pas reposer à plat : les dos et les motifs ne coïncident jamais. Mais si les cartes sont souples, elles commencent à s'ajuster, se décalant de fractions de millimètre pour trouver la correspondance parfaite.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

Deux feuilles transparentes avec des cercles dessinés. Si on les superpose exactement, les cercles coïncident. Mais il suffit de tourner légèrement une feuille pour voir apparaître un nouveau motif : par endroits les cercles se resserrent, par endroits ils s'écartent. C'est à peu près ainsi que fonctionne le moiré — un motif inattendu créé par la rotation de deux structures périodiques.

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 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.

Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

Des couches de matériau mince, tournées l'une par rapport à l'autre, évoquent des grilles superposées. Aux intersections des lignes apparaît un nouveau motif : le moiré. Dans ce motif, les électrons se déplacent différemment que dans un cristal ordinaire et peuvent former des états inattendus.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

Le graphène est un film de carbone d'une épaisseur d'exactement un atome. Deux de ces feuilles, superposées avec une légère rotation, se comportent très différemment d'une feuille unique. Pour un angle d'environ 1,1 degré, les électrons y ralentissent tellement que le matériau peut devenir supraconducteur ou isolant, selon les conditions. Cet angle est appelé « angle magique ».

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

Une pile de papier : si les feuilles sont posées bien droites les unes sur les autres, la lumière les traverse de la même manière. Mais tournez une feuille de quelques degrés, et le tableau change. C'est à peu près ce qui se passe avec les couches de certains matériaux : tournez-les les unes par rapport aux autres, et leurs propriétés changent, parfois radicalement.

Deux feuilles de graphène — un film de carbone d'un atome d'épaisseur — sans rotation, ressemblent à un port encombré de bancs de sable : les ions lithium soit s'échouent, soit passent en trombe sans s'arrêter. Mais une rotation de 9,43° trace un chenal idéal. Les navires-ion s'amarent solidement aux « quais » de carbone et repartent aussitôt, sans perdre de vitesse.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

Un film mince, c'est comme un drap tendu : plus il est fin, plus il est difficile à percer. Les scientifiques ont remarqué que des films de matériaux très différents — graphène, oxyde de graphène, polymères — résistent étonnamment bien à la pénétration d'un projectile à haute vitesse. Et plus le film est mince, plus il absorbe d'énergie par unité de masse.

Le verre à vitre ordinaire semble figé pour l'éternité, mais à l'intérieur, les atomes ne restent jamais en place. Dans le tellurure de germanium amorphe (GeTe) — un matériau utilisé dans les disques réinscriptibles et les mémoires non volatiles —, des physiciens ont pour la première fois suivi directement comment les liaisons atomiques s'étirent et se plient en quelques…

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.

Une pile de crêpes identiques dans une assiette n'est qu'une pile. Mais si on les dispose selon un certain ordre, quelque chose de nouveau apparaît soudain : par exemple, un motif invisible sur chaque crêpe prise séparément. Les physiciens ont réalisé un tour similaire avec de fines couches de matériaux.

Une casserole d'eau chauffée par le bas est un exemple simple de turbulence. Le liquide chaud monte, le froid descend, et l'écoulement se divise spontanément en cellules de convection qui ressemblent à des rouleaux horizontaux.

Les couches d'atomes torsadées dans un matériau forment un motif de minuscules zones — les domaines, chacun pouvant être électrisé dans l'une des deux directions, comme l'aiguille d'une boussole pointant vers le nord ou le sud.

Un cylindre émoussé filant à six fois la vitesse du son n'est pas l'objet le plus élégant, mais c'est lui le héros de cette nouvelle simulation. La surface d'un tel engin n'est jamais parfaitement lisse : lors de l'entrée dans l'atmosphère, le bouclier thermique brûle, créant des bosses et des creux.

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.

Un verre figé semble immobile, mais à l'intérieur, les atomes sont restés bloqués dans des positions aléatoires, sans jamais trouver l'ordre parfait. Situation similaire dans les verres de spin : les moments magnétiques des atomes se figent, pointant dans des directions diverses, et le matériau perd sa capacité à s'aimanter simplement.

La toile d'araignée n'est pas qu'un simple piège collant, c'est un instrument subtil qui réagit à la météo. Lorsque l'air devient humide, les fils de soie se raccourcissent et se tordent, comme une serviette mouillée que l'on essore en la tordant par les deux extrémités. On pensait auparavant que le fil se tordait parce que les protéines y sont disposées en spirale.

Une fine feuille de carbone, semblable à un délicat treillis de triangles, d'hexagones et d'octogones, repose sur un substrat. En soi, elle n'est pas supraconductrice : les électrons s'y déplacent en désordre, butant sur les atomes. Mais il suffit d'étirer uniformément cette feuille — comme on tend une toile sur un châssis — et le tableau change.

La charge électronique est un vagabond qui change de camp selon l'énergie. Dans le cristal de séléniure de tungstène (WSe₂), cela se voit avec une clarté extrême : à une tension de −1,4 V, proche du point K de la zone de Brillouin, les maxima du courant tunnel se trouvent au centre des hexagones, là où il n'y a pas d'atomes.