lumière tordue

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.

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Un faisceau lumineux se déplace généralement en ligne droite, mais on peut le faire tourner autour de son axe, comme l'eau qui tourbillonne dans un entonnoir lorsqu'elle s'écoule. Cette lumière « vortex » transporte davantage d'informations et est indispensable pour les communications ultra-rapides et le calcul quantique.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

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.

L'électron n'est pas un simple point. C'est un nuage de probabilité, étalé dans l'espace. Lorsque ce nuage entre en collision avec une impulsion laser puissante, il peut émettre un photon de haute énergie — un quantum gamma.

Un fil téléphonique fortement torsadé finit par lâcher et projette des étincelles. C'est exactement ce qui se passe avec les champs magnétiques sur le Soleil : ils se tordent, se déchirent et se reconnectent, alimentant les éruptions. Pour la première fois, des astronomes ont observé ce processus directement.

À 460 années-lumière de nous, autour de l'étoile HD 135344B, orbite un disque dense de gaz et de poussière. Il ressemble à un disque vinyle géant que quelqu'un aurait fêlé : une cavité béante s'ouvre dans le disque, et à travers elle, tel un pont fragile, s'étire un filament de poussière.

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.

Le faisceau d'une lampe de poche glisse sur un verre irrégulier. Le verre, ce sont les amas massifs de galaxies, et la lampe de poche, c'est la lumière ancienne née peu après le Big Bang. En passant près de ces amas, la lumière ne se contente pas de les contourner comme l'eau contourne une pierre.

La lumière, comme une corde que l'on secoue, oscille dans un plan bien défini. Les astronomes et les ingénieurs font souvent pivoter une image à l'aide d'un système de trois miroirs — le fameux miroir en K — mais ce faisant, le plan d'oscillation de la lumière se retrouve lui aussi tourné, involontairement.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

La lumière pousse généralement un atome tout droit, comme le vent pousse une voile. Mais si l'on tord le faisceau en tire-bouchon, le tableau change : l'atome peut s'envoler de côté, comme s'il avait été accroché par une roue en rotation.

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.

Le cristal de séléniure de bismuth (Bi₂Se₃) est en soi symétrique, comme un sandwich soigneusement assemblé : retournez-le, et rien ne change. Mais il suffit de faire légèrement pivoter une couche par rapport à l'autre pour que la symétrie se brise. Le matériau se met alors à « sentir » d'où vient la lumière et répond par un courant électrique.

Dans des couches de tellurure de molybdène torsadées selon un angle précis, les électrons se comportent de manière inhabituelle : ils peuvent se diviser en parties. C'est comme si un gâteau entier se mettait soudainement à être découpé en parts strictement égales, alors qu'il n'y a qu'un seul couteau.

Un ballon de football frappé avec effet ne suit pas une trajectoire rectiligne, mais incurve sa course sur le côté. C'est à peu près ce qui se passe avec un faisceau lumineux fortement focalisé : il commence à pousser l'atome non seulement vers l'avant, mais aussi sur le côté.

Une onde ordinaire dans un aimant ressemble à des rides à la surface de l'eau : plus le pas de l'onde est court, plus son énergie est élevée. Les physiciens appellent ces ondes des magnons. Mais dans une fine couche de grenat de bismuth et d'yttrium, on a réussi à créer des ondes au comportement inverse : leur énergie diminue lorsque la longueur d'onde se réduit. Ce sont des antimagnons.

La lumière ne voyage pas toujours en ligne droite. Son onde peut être tordue en spirale, comme le jet d'eau d'un tuyau que l'on fait tourner rapidement. Cette torsion est appelée moment angulaire orbital, et on peut y cacher des informations : chaque spire est comme un canal de communication distinct.

Jetez des cailloux le long d'une rangée serrée de poteaux : ils ricochent en un jet dense. Jetez-les en biais, et ils se dispersent. Les rayons gamma dans un cristal font de même : ils engendrent des cascades de particules qui s'étalent à moins que les rangées atomiques du cristal ne soient parfaitement alignées. Alignez-les à un cheveu près, et la cascade se resserre en un faisceau étroit.

La matière noire est un océan invisible qui, comme l'ont montré les observations de Vera Rubin, empêche les étoiles des galaxies de s'éparpiller.

Dans un aimant ordinaire, tous les spins des électrons (les petites « flèches » magnétiques internes, découvertes par Wolfgang Pauli) pointent dans la même direction. Les altermagnets, comme le MnTe, sont plus complexes : l'orientation de ces flèches alterne, telle une ondulation à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.