électronique ultrarapide

Une impulsion laser frappe un film mince de MoS₂, et à l'intérieur s'échauffe un nuage d'électrons porteurs d'un excès d'énergie. Ces porteurs chauds ressemblent à des coureurs partis à grande vitesse, mais qui devront perdre tout leur élan en chemin à force de collisions avec le réseau cristallin.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

Un qubit supraconducteur ressemble à un instrument de musique capricieux : tant qu'on ne l'a pas accordé, on ne peut pas espérer une note juste. Mais même après l'accordage, le son dérive. Les coupables sont de minuscules défauts dans le matériau, que les physiciens appellent des systèmes à deux niveaux.

Pendant des décennies, la radioastronomie a écouté l'espace, espérant capter des émissions radio à bande étroite — la « voix » technogénique d'exoplanètes lointaines.

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Une particule chargée traverse un capteur en silicium et laisse derrière elle une traînée d'électrons libres. Le temps que met cette charge à se rassembler sur l'électrode dépend de la profondeur à laquelle elle est née dans le cristal.

Le pendule oscille avec une telle précision que, s'il comptait les secondes depuis le Big Bang, il n'aurait accumulé qu'une demi-seconde d'erreur à ce jour. Telle est la stabilité du nouveau laser ultraviolet portable — le cœur des horloges atomiques à aluminium.

Un laser ordinaire émet des raies fines, comme une corde qui ne joue qu'une seule note. Pour la spectroscopie, c'est gênant : si une substance absorbe la lumière entre les raies, on peut ne pas la remarquer.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Lorsque vous appuyez sur l'interrupteur, la lumière ne s'allume pas immédiatement : il faut du temps aux électrons dans les fils pour « se lancer » et se mettre en mouvement de concert. Dans les métaux et semi-conducteurs ordinaires, le courant monte en puissance progressivement, comme l'eau dans un tuyau quand on ouvre le robinet.

Un fil de cuivre frappé par un laser, c'est une cuisine où le chef allume la cuisinière tout en surveillant le chronomètre. Les atomes de cuivre se mettent à danser, perdant l'ordre du réseau cristallin, et les électrons, comme des serveurs dans la salle, ressentent immédiatement le changement. Mais combien de désordre faut-il pour qu'ils le remarquent ?

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

L'aiguille d'une boussole tourne lentement, mais à l'intérieur de certains matériaux, de minuscules moments magnétiques peuvent s'orienter en des temps difficiles à imaginer. Une équipe de physiciens a calculé comment les faire changer de direction en un millionième de milliardième de seconde. C'est plus rapide qu'un clignement d'œil.

Dans un cristal, les électrons se comportent parfois comme une foule dans un stade qui crée une « vague » : des zones de plus forte densité succèdent à des zones presque vides. Cette onde bloque la libre circulation des charges — dans des conditions normales, le matériau n'est pas supraconducteur. Mais il suffit d'appliquer une pression pour que l'onde disparaisse et que les électrons se déplacent sans perte.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Un cristal ultra-mince d'atomes de tungstène et de soufre ressemble à un parking idéal : toutes les places sont occupées, tout est bien rangé. Mais parfois, un atome manque, créant un trou-défaut. Si un exciton (une paire électron-trou qui transporte l'énergie de la lumière) tombe dans ce trou, il peut s'y coincer et l'éclairer différemment que dans une zone propre.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Deux faisceaux laser, comme deux crayons, tracent une échelle invisible sur le mur. L'une des pointes se déplace un peu plus vite que l'autre, et selon que leurs traits coïncident ou divergent, on peut calculer la distance au mur avec une précision de l'épaisseur d'une toile d'araignée.

Une impulsion laser frappe une couche d'argent d'un atome d'épaisseur déposée sur un graphène bicouche — et en un quadrillionième de seconde, une bande interdite apparaît dans la structure électronique du graphène, là où il n'y en avait pas.

Une caméra qui ne capture pas la lumière mais un flux d'électrons réfléchis par un cristal, c'est un détecteur hybride à pixels. Il sait compter chaque électron qui l'atteint, en ne générant presque aucun bruit propre. En mode normal, lorsque le faisceau d'électrons s'écoule en continu, le détecteur fonctionne parfaitement.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

Un tampon en caoutchouc ordinaire amortit les vibrations comme une épaisse couverture étouffe le son : plus c'est épais et lourd, mieux c'est. Les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'un matériau léger qui « dévorerait » les oscillations aussi bien qu'un amortisseur massif.

L'oxyde de vanadium est un matériau qui peut être soit isolant (ne conduisant pas le courant), soit conducteur comme un métal. La bascule prend des trillionièmes de seconde, et l'on souhaite construire des dispositifs électroniques ultrarapides sur cette base. Mais comment cela se produit-il exactement ? Cela est resté longtemps une énigme.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

Faire évoluer un ordinateur quantique, c'est un peu comme tisser une toile d'araignée avec de la lumière : chaque fil vibre au souffle thermique, menaçant de rompre le motif à peine esquissé.