Niels Bohr

La lumière frappe une plaque de métal et des électrons s'en échappent. C'est l'effet photoélectrique, qui ne se produit que si la lumière a assez d'énergie pour franchir le seuil qui retient les électrons à l'intérieur.

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.

Niels Bohr insistait : on ne peut pas savoir à la fois par quel chemin est passé un photon et observer des interférences. Longtemps, cela a été considéré comme une limite de la connaissance — on pensait simplement ne pas pouvoir obtenir les deux types d'information en même temps.

Un isolant ordinaire ne conduit pas le courant, ni à l'intérieur ni sur les bords. L'isolant topologique, c'est autre chose : à l'intérieur, il reste isolant, mais sur les bords, il laisse passer un courant électrique sans perte.

Les phases topologiques se cachent généralement dans des cryostats. Circuits supraconducteurs, atomes ultra-froids, impulsions laser : tous protègent l'ordre quantique du bruit thermique.

En 1976, Gerard 't Hooft a remarqué que le vide d'une théorie de jauge n'est pas aussi simple qu'il y paraît : il possède une structure topologique qui se manifeste par une susceptibilité topologique non nulle.

Le nouveau matériau magnétique est organisé comme une pile de crêpes : dans chaque couche, toutes les « flèches » atomiques pointent dans la même direction, mais la couche voisine est aimantée dans le sens opposé. Le motif de triangles — le réseau kagomé — est déformé parce qu'une partie des atomes a été remplacée par des haltères de germanium.

La particule quantique — habitante du monde des particules élémentaires du modèle standard — évoque une pièce qui tournoie dans les airs : ni pile ni face, mais un mélange de possibilités. Mais quand elle retombe sur la table, le résultat devient sans ambiguïté. Qu'est-ce qui sert de table lors d'une mesure ?

Deux morceaux de graphite frottent l'un contre l'autre, et la résistance disparaît comme si une pellicule d'huile invisible les séparait. Auparavant, on n'observait cela qu'au microscope, sur de minuscules points de contact.

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.

L'espace-temps, à des distances extrêmement petites, évoque un écran numérique : il n'est pas lisse, mais constitué de minuscules « pixels ».

Les électrons dans un conducteur se comportent généralement comme un gaz : ils se déplacent de manière chaotique, entrent en collision, ne tiennent pas en rang.

Une feuille de germanane d'un atome d'épaisseur repose sur un morceau de germanium — et le courant y circule comme sur une autoroute sans feux rouges. Le germanane est un réseau plat d'atomes de germanium recouvert d'hydrogène, un cousin du graphène.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre qui ne joue que dans un silence absolu. Le moindre bruit, et la mélodie fragile s'effondre.

Un capteur quantique ressemble à une ligne télégraphique transmettant un message ultra-sensible. La moindre interférence déforme le signal. On pensait autrefois que pour une mesure précise, il fallait un « télégraphiste » infaillible — un système idéal de correction d'erreurs. Mais en pratique, tous les éléments sont bruyants.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

On plonge une feuille de graphène dans une solution de sulfate de sodium – un sel ordinaire, proche du sel de table. Près de la surface, l'eau cesse d'être homogène : elle s'organise en couches, comme une pile de crêpes. Entre ces couches et à l'intérieur, se répartissent les ions – les particules chargées issues de la dissociation du sel.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

Un transistor en graphène fonctionne comme un interrupteur microscopique : une molécule se pose à sa surface et le courant change. Mais la surface nue du graphène n'attrape rien. Il faut un « appât » — des anticorps qui ne reconnaissent que les protéines du virus.

Un cube de tantalate de potassium se comporte comme un diélectrique ordinaire : il ne stocke pas le champ électrique. Mais si l'on fait croître ce matériau en fine pellicule sur un substrat d'un autre cristal, tout change.

Un cristal d'un atome d'épaisseur, c'est comme une feuille de papier sur laquelle on peut écrire avec de l'électricité. Un tel matériau pourrait devenir la base de micropuces minuscules et rapides. Mais avant de le lancer dans la production, il faut savoir précisément de quoi il est fait. Et c'est là qu'on découvre que la formule habituelle ne colle pas.

Selon les lois de la physique, rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, sinon, pour certains observateurs, l'effet se produirait avant la cause. Artur Ekert et Andrzej Dragan ont montré qu'une telle situation engendre une incertitude qui rappelle le hasard quantique.

Si l'on fait passer de l'eau à travers un goulot étroit, le flux s'accélère près du bord, et un tourbillon se forme derrière l'obstacle. C'est à peu près ce que font les électrons dans les matériaux bidimensionnels ultrapurs, comme une fine couche de graphène.

Si vous versez une poignée de pièces sur une table, la surface devient bosselée. Mais ajoutez encore des pièces, et elles s'étalent d'elles-mêmes en une couche uniforme. Quelque chose de similaire se produit lorsqu'on dépose des films extrêmement minces de molécules individuelles sur un substrat. Au début, des îlots apparaissent à la surface – les molécules se rassemblent en amas, comme des gens qui font la queue.

Un ruban de graphène large de neuf atomes est une piste sur laquelle les électrons courent comme l'eau dans un étroit canal. Les rayons gamma sont un flux de particules à très haute énergie, capables de traverser le métal et le plastique.

Un laser ordinaire amplifie la lumière en un faisceau intense. Si l'on inverse ce processus, on obtient un antilaser — un dispositif qui aspire la lumière sans laisser de résidu. Mais une telle machine est capricieuse : il suffit d'un léger désordre pour que l'absorption échoue. Des physiciens ont trouvé le moyen de rendre un antilaser invulnérable.

Un mince film d'oxyde métallique repose sur une surface comportant une petite cavité. Si l'on comprime légèrement le film latéralement, il ne se froisse pas, mais se courbe vers le bas dans la cavité ou vers le haut en formant un bombement. Les deux positions sont stables — comme un couvercle de boîte de conserve qui est soit concave, soit convexe, et ne saute pas tout seul d'un état à l'autre.

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.

La molécule d'octane ordinaire est une chaîne de huit atomes de carbone, comme un fil flexible. Sur une surface de platine chaude (au-dessus de 600 K), elle ne reste pas tranquille, elle commence à se tortiller. D'abord, la chaîne se courbe de sorte que ses extrémités se rapprochent.

Les matériaux magnétiques peuvent stocker l'énergie des oscillations, un peu comme un diapason qui continue de vibrer après avoir été frappé. Si l'on place un tel matériau dans une cavité micro-onde, ses oscillations (les magnons) commencent à interagir avec la lumière (les photons).

L'acier n'est pas qu'un simple morceau de fer. À l'intérieur, comme dans un mille-feuille, coexistent différentes structures — les phases. Dans l'acier à très haute résistance utilisé pour les automobiles, il y a trois phases : la ferrite (douce), la martensite (résistante) et l'austénite (ductile).

Une impulsion lumineuse, comme une boule de pâte à modeler, conserve sa forme en traversant un matériau ordinaire. Mais si l'on place sur son chemin une couche spéciale d'un atome d'épaisseur, l'impulsion commence à s'étaler — son spectre s'élargit.

Dans une fine couche de cristal, les électrons se comportent différemment que dans un morceau de métal ordinaire. Ils sont à l'étroit, se heurtent plus souvent et ressentent plus fortement la forme du réseau. Habituellement, de tels états sont créés artificiellement en empilant des couches de différents matériaux. Mais parfois, la nature fait tout elle-même.

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 film mince d'oxyde de ruthénium Sr₃Ru₂O₇, déposé sur un substrat cristallin étranger, se comporte comme une pellicule de caoutchouc tendue : le substrat soit la comprime, soit l'étire.

Un film mince d'oxyde complexe, c'est comme une image à décalquer : il faut la détacher délicatement d'une surface pour la poser sur une autre, sans la déchirer. Auparavant, on utilisait des couches solubles dans l'eau, mais elles se dissolvaient trop lentement ou abîmaient le film lui-même. Désormais, une nouvelle « colle » a été proposée : l'oxyde de baryum.

Si l'on chauffe une extrémité d'un conducteur et que l'on maintient l'autre froide, les électrons commencent à se déplacer du chaud vers le froid. Cela crée généralement une tension le long du conducteur, comme l'eau qui s'écoule dans une gouttière inclinée. Mais dans certains matériaux, les électrons dévient latéralement, et la tension apparaît en travers.

Un fin fil du cristal α-Bi₄Br₄ — un composé de bismuth et de brome — conduit le courant non pas comme un fil ordinaire. À l'intérieur, l'électricité ne se déplace que le long des bords, comme l'eau dans une gouttière sans toucher le fond ni les parois. Ce comportement est appelé isolation topologique : l'intérieur du matériau ne conduit pas, mais sur la surface ou les bords, les électrons glissent sans perte.

Une fine pellicule d'oxyde de fer SrFeO3 repose sur un substrat qui l'étire légèrement. À l'intérieur de la pellicule, les moments magnétiques des atomes s'enroulent en spirale, comme un escalier en colimaçon. L'étirement a modifié cet escalier : le pas est devenu plus court et l'axe lui-même s'est incliné. La cause réside dans l'oxygène.

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.