Physique à l'échelle mésoscopique et nanoscopique cond-mat.mes-hall

Le qubit supraconducteur — un minuscule anneau sans résistance — résout des problèmes plus vite que vous ne clignez des yeux. Mais coupez l'alimentation, et tout ce qu'il a calculé disparaît. Comme un cuisinier qui prépare sans noter la recette : tant qu'il est aux fourneaux, il se souvient de chaque étape, mais une heure plus tard, plus rien.

Un minuscule diamant avec des défauts — des atomes d'azote ayant remplacé des atomes de carbone — recèle une particularité étonnante. Autour de chaque défaut tourne un électron supplémentaire, comme une toupie que l'on peut incliner par des impulsions radio.

Un diapason sonne quand on le frappe. Ses branches oscillent et le son se fait entendre jusqu'à ce que la vibration s'éteigne.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent autour. Dans le monde quantique, une impureté magnétique (cette fameuse pierre) dans un métal perturbe les électrons environnants, qui forment autour d'elle un nuage particulier. On l'appelle le nuage de Kondo. Comme des cercles dans l'eau dans l'obscurité, il est resté longtemps insaisissable.

À l'intérieur d'un diamant, on trouve parfois de minuscules imperfections : un atome de carbone remplacé par de l'azote, avec une lacune juste à côté. Les physiciens appellent cela un centre NV (défaut azote-lacune). Un tel défaut se comporte comme une aiguille magnétique qui peut stocker de l'information dans sa rotation.

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.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les cordes et les vents jouent dans des langues différentes. Les processeurs supraconducteurs manipulent des photons micro-ondes dans des circuits de quelques centimètres, tandis que les qubits de spin — par exemple les centres azote-lacune — stockent…

En mécanique quantique, certains états défient l'intuition : leurs distributions de probabilité deviennent négatives, comme des mirages qui ne laissent que des indices indirects.

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.

Dans un laboratoire obscur, où les puces supraconductrices sont refroidies à des millièmes de kelvin, un qubit tourne sous l'effet d'un champ magnétique. Un qubit ordinaire tourne dans un sens. L'anticubit, son double miroir, tourne dans le sens opposé. Ensemble, ils forment une paire qui ressent le champ deux fois plus intensément que n'importe quelle paire ordinaire.

Un électron glissant sur les collines et les creux invisibles créés par une texture de spin, voilà à quoi ressemble un nouveau chapitre de la physique de la matière condensée. Dans les matériaux quantiques où la direction des spins localisés varie progressivement (texture de spin), l'électron n'est plus simplement une particule qui traverse le réseau.

Deux voix séparées par un mur s'entendent encore, si le mur est mince et les voix fortes. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les résonateurs optiques couplés : la lumière piégée dans un microrésonateur perçoit la présence du voisin à travers ses états résonants, c'est-à-dire les modes propres du système ouvert avec fuite d'énergie.

Deux pendules reliés par un ressort de lumière se mettent à osciller en rythme, sans même se toucher. Dans le monde quantique, ce synchronisme signifie quelque chose de plus : les particules perdent leur individualité et deviennent un objet unique.

Un champ magnétique de 8 teslas, c'est 200 fois plus fort que le champ terrestre. Sous un tel champ, la supraconductivité dans un film mince de ditellurure de palladium ne se contente pas de survivre, elle tient jusqu'à une température de 20 millikelvins, soit cent fois plus froid que l'espace…

Un flux de chaleur égalise généralement tout : le chaud refroidit, le froid chauffe, et il ne reste à la fin qu'un marécage tiède et homogène.

Une foule de trente et un capteurs quantiques de détection quantique chuchote dans une plaquette de diamant.

Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier.

Au-dessus de la surface miroir d'hélium superfluide refroidi à 7 millikelvins, un électron unique danse une valse parfaite avec un photon micro-onde.

Dans le laboratoire de l'Université Purdue, un faisceau laser frappe un cristal de nitrure de bore hexagonal, et en réponse, un point de lumière unique scintille. Ce n'est pas une simple lueur : c'est un signal provenant d'un défaut de spin, une paire de spins électroniques dont l'un est couplé à un spin nucléaire de carbone-13.

En photométrie (mesure de la lumière), il a longtemps été impossible de détecter des photons micro-ondes individuels, leur énergie étant comparable à l'agitation thermique des atomes.

Pour que les bits quantiques basés sur des électrons fonctionnent sans accroc, ils ont besoin d'un substrat d'une perfection absolue — comme un miroir qui ne déforme pas le reflet.

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

Toute la matière, des étoiles aux humains, est composée de particules qui, dans le modèle standard, se répartissent en deux familles. Mais il en existe une troisième, rare : des particules qui, lorsqu'on les échange, ne se contentent pas de changer de place, mais se nouent, mémorisant le fait de l'entrelacement, et non le chemin parcouru.

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.

Un moteur ordinaire brûle du carburant et perd une énorme quantité d'énergie sous forme de chaleur — c'est ce qu'imposent les lois de la thermodynamique. Un moteur quantique fait autrement : son carburant n'est pas la chaleur, mais un rythme parfait. Cette régularité, les physiciens l'appellent la cohérence quantique.

Dans la vie courante, l'ordre conserve, le désordre détruit. Avec l'information quantique, c'est l'inverse. Dans un diamant, les électrons et les noyaux de carbone agissent comme de petits aimants qui retiennent un murmure. Les électrons, bavards, le propagent en un instant ; les noyaux le transmettent de proche en proche, sans se presser.

La loi découverte par Wolfgang Pauli interdit à des particules identiques d'occuper la même place. De ce fait, dans la matière froide naît la mer de Fermi : les particules, comme l'eau, remplissent les niveaux d'énergie de bas en haut. La forme de la surface de la mer — y compris les « îles » de vide — dicte les propriétés de tout le système.

Un corps supersolide, c'est de la glace qui coule. Comme un étang pris par une croûte, mais avec des profondeurs liquides sans frottement. D'habitude, on fabrique cette croûte en modifiant les propriétés du liquide dans tout son volume.

L'espace entre deux surfaces proches n'est pas vide, mais une colle quantique bouillonnante. Des fluctuations quantiques y naissent et s'éteignent en continu — des micro-ondes d'énergie qui créent une force d'attraction ou de répulsion.

Un film mince d'un composé de bismuth et de sélénium repose sur un substrat. Une impulsion laser d'une durée d'un millionième de milliardième de seconde le frappe. À côté, un aimant est activé, dont le champ est plus faible que celui d'un aimant de frigo.

La pointe d'un microscope à effet tunnel plane au-dessus de la surface à une distance inférieure au diamètre d'un atome. D'habitude, elle sonde le relief comme un doigt lit une page en braille. Désormais, cette même pointe a appris à écouter les frémissements d'une membrane de la taille d'un ongle.

Un interprète se laisse distraire par le moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ce que vivent les molécules uniques prises en sandwich entre deux contacts métalliques : elles ne cessent de modifier leur forme et leur position, ce qui influence la façon dont le courant et la chaleur les traversent.

Dans le cristal de silicium qui sert à fabriquer les puces électroniques, il arrive qu'un atome étranger s'y loge — par exemple, du magnésium. Il se comporte comme un petit aimant avec plusieurs « positions d'aiguille ». Si l'on éclaire ce cristal avec un bref éclair, l'atome s'excite un instant, puis revient à son état initial.

Un électron dans une molécule, c'est comme une toupie lancée dans le bon sens. Les molécules chirales, tordues d'un seul côté comme un escalier en colimaçon, ne laissent passer que les électrons ayant une direction de rotation donnée. Cette propriété s'appelle la sélectivité de spin induite par chiralité, et elle permet de contrôler le spin sans aimants.

Un film mince de pérovskite change lentement de structure cristalline. Les atomes se réorganisent, comme des passagers dans un wagon bondé qui trouvent progressivement des places plus confortables. Ce processus a duré plusieurs heures, et pendant tout ce temps, les chercheurs l'ont suivi à l'aide de rayons X. Il s'est avéré que la réorganisation se fait à deux rythmes différents.

Une goutte d'encre tombe dans un verre d'eau — et au lieu d'une tache uniforme, un anneau naît, qui se met aussitôt à tournoyer. C'est à peu près ainsi que naît un skyrmion : la lumière émise par une source minuscule s'enroule en un tourbillon stable. Jusqu'à présent, de tels tourbillons n'étaient obtenus qu'avec de grands lasers.

Un film d'oxyde de ruthénium, c'est comme une pellicule de bulle de savon tendue sur un cadre, mais faite d'atomes. Pendant longtemps, on a pensé que dans ce film, les atomes de ruthénium s'alignaient selon un ordre magnétique, comme des aiguilles de boussoles pointant dans des directions opposées.

Une puce quantique ressemble à un instrument de musique qui se désaccorde au moindre contact. Dans les dispositifs en germanium contraint (un matériau dont les atomes sont légèrement étirés pour une meilleure conductivité), la principale source de fausses notes provient des défauts à l'interface entre le…

La lumière ordinaire est un flux de particules indépendantes : les photons se traversent sans se soucier de leurs voisins. Mais dans les circuits supraconducteurs, refroidis à des températures proches du zéro absolu, la donne change.

Dans un verre d'eau salée, même s'il est immobile, il se passe constamment quelque chose. Les minuscules particules de sel — les ions — flottent et se heurtent, ce qui fait courir des ondulations à la surface de l'eau. Ces ondulations sont invisibles, mais elles créent une force qui attire ou repousse les objets qui se trouvent à proximité.