Autre matière condensée cond-mat.other

Un pendule reçoit une impulsion, mais il ne revient pas à sa position initiale après une période, mais après deux. C'est le comportement d'un cristal temporel discret : une phase de la matière qui brise spontanément la symétrie de translation temporelle discrète et oscille avec une période multiple de celle de l'excitation externe.

Un diapason taillé dans un métal parfait sonne à une fréquence unique. Son son est pur comme une formule mathématique. Mais si on le serre dans un étau ou qu'on le plonge dans un liquide visqueux, la tonalité s'élargit, se charge de bruits, perd sa netteté. C'est à peu près ce qui arrive au noyau de scandium-45 lorsqu'on le place dans un réseau cristallin.

Un flocon de neige, en tombant d'un nuage, choisit entre une forme gauche et une forme droite. La différence entre les deux est presque imperceptible, comme un souffle de vent, mais c'est précisément ce souffle qui décide du motif qui se formera.

Selon la théorie d'Einstein, la rotation de la Terre entraîne avec elle le courbure de l'espace-temps — comme une cuillère qui remue du miel épais. Cet effet est incroyablement faible : environ un tour en des milliards d'années. Mais on peut le détecter.

Les horloges atomiques classiques reposent sur la spectroscopie — le comptage des oscillations des électrons. Les horloges nucléaires au thorium-229 s'appuient sur le noyau lui-même.

D'habitude, on considère que le nombre de dimensions est constant : longueur, largeur, hauteur. Mais dans le monde quantique, même cela peut être changeant. Une nouvelle théorie décrit des systèmes où la dimension n'est pas une constante, mais une propriété quantique capable d'être différente en même temps.

L'hélium sur du graphite se comporte comme un acrobate qui glisse sur un câble tout en gardant sa posture.

L'électron est une particule minuscule, mais dans un cristal, il se comporte comme s'il avait une masse différente. C'est ce qu'on appelle la masse effective. Pour la mesurer, les physiciens font courir les électrons en rond dans un champ magnétique — comme un patineur sur une patinoire à qui l'on ne permet pas de quitter son orbite.

Le cristal a été refroidi à moins 228 degrés Celsius, et un motif est apparu à sa surface, comme du givre sur une vitre. Mais ce n'est pas l'humidité qui le dessine, c'est le champ magnétique : de minuscules particules de fer en suspension dans un liquide se déposent sur les zones aimantées et révèlent leur emplacement.

Une minuscule lamelle de cristal repose sur un substrat, comme une feuille d'automne sur une paume. Son épaisseur est plus fine qu'un cheveu humain, et pourtant des effets quantiques bouillonnent à l'intérieur : supraconductivité, ordre magnétique, liquide de spin quantique.

Deux plaques métalliques dans un vide total s'attirent. Richard Feynman comparait déjà le vide à une écume bouillonnante : des paires de particules naissent et disparaissent aussitôt, créant l'effet Casimir. Si les plaques sont asymétriques, elles se mettent aussi à tourner — c'est le moteur à vide. Mais pour tourner, pas besoin de pièces courbes.

Un aimant ordinaire peut être imaginé comme une rangée de soldats où tout le monde regarde dans la même direction. L'antiferromagnétique est organisé différemment : les « soldats » voisins regardent dans des directions opposées, mais la rangée reste globalement ordonnée. Retourner une telle rangée est difficile — elle ne réagit pas aux champs externes faibles.

Depuis Galilée, on pensait que dans le vide, tous les corps tombent de la même manière. Einstein en a fait un principe : la gravité se propage à la vitesse de la lumière et n'est que la courbure de l'espace-temps.

L'hélium liquide, refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme deux fluides à la fois : une partie visqueuse ordinaire et une partie superfluide qui s'écoule sans frottement. Lorsqu'un tel écoulement rencontre un cylindre, des tourbillons naissent derrière lui.

Une cage de soixante atomes de carbone, semblable à un ballon de football, laisse entrer de petites molécules. Les fullerènes, ces billes de carbone, sont empilés en cristal comme des oranges dans une caisse — il reste des vides entre eux.

Chaque électron est comme une toupie : il tourne sur lui-même. Cette rotation s'appelle le spin. Dans l'électronique classique, on n'utilise pas le spin, seulement la charge. Et c'est dommage : si l'on savait contrôler le spin, les puces deviendraient plus rapides et plus économes.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Une cheminée d'usine rejette du dioxyde de carbone dans l'air, et à côté se trouve une installation qui capture ce gaz et, sous la lumière du soleil, en assemble des molécules d'éthylène — la matière première des sacs et des tuyaux en plastique.

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.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Les électrons dans le cristal CrSb se comportent comme un banc de poissons : à l'intérieur du matériau, ils filent dans leurs « couloirs », et à la frontière avec le vide, ils s'organisent en motifs étranges. Ces motifs forment la surface de Fermi, la carte de toutes les vitesses permises pour les électrons.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

Une fine pellicule de semi-conducteur d'un atome d'épaisseur ressemble à un appartement communautaire : y cohabitent des électrons chargés négativement et des « trous » chargés positivement.

Un supraconducteur ordinaire expulse le champ magnétique, mais cet anneau, au contraire, le crée à l'intérieur de lui-même. L'anneau est fait d'un matériau Fe(Te,Se) — un composé de fer, de tellure et de sélénium qui, à très basse température, perd sa résistance électrique.

Les moments magnétiques dans un cristal ressemblent à des aiguilles de boussole fixées aux nœuds du réseau. À l'état normal, ils s'alignent dans un ordre soigné, mais si l'on frappe le cristal avec une onde électromagnétique, les aiguilles se mettent à osciller – comme des épis de blé sous le vent.

Un cristal d'ions calcium dans un piège, éclairé par un laser, est un modèle miniature de la matière à l'intérieur d'une naine blanche. Là, dans les profondeurs d'une étoile mourante, les noyaux atomiques s'organisent en un réseau rigide lorsque la température chute.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Un liquide sans frottement qui coule éternellement, c'est la superfluidité. L'hélium-3 ne l'acquiert qu'à des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. La théorie de cet état a été créée par Lev Landau et Richard Feynman.

Dans l'hélium refroidi presque au zéro absolu, le liquide cesse de frotter contre lui-même et s'écoule sans la moindre résistance.

Si l'on pousse de la chaleur à travers un morceau de quartz, elle va généralement tout droit, comme l'eau dans un tuyau. Mais dès que l'on active un champ magnétique, le flux dévie légèrement sur le côté — comme si le tuyau avait soudainement une dérivation latérale.

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.

L'oxyde de ruthénium a longtemps été considéré comme un altermagnétique modèle — un matériau où les moments magnétiques des atomes voisins sont opposés, mais ne se compensent pas complètement en raison de la symétrie particulière du cristal. De nouvelles mesures montrent qu'à l'intérieur du cristal, il n'y a aucun magnétisme.

Un aimant ordinaire sur un réfrigérateur attire le fer parce qu'à l'intérieur, toutes les minuscules aiguilles magnétiques sont alignées dans la même direction. Mais il existe des matériaux où les aiguilles s'alignent de manière plus subtile : les rangées voisines pointent dans des directions opposées, et de l'extérieur, on dirait qu'il n'y a pas de magnétisme.

L'étoile à neutrons est une toupie de la masse du Soleil, compressée à la taille d'une ville. Elle naît dans le feu d'une supernova et, en temps normal, ne fait que ralentir sa rotation. Mais parfois, sans raison apparente, elle accélère soudainement – un à-coup que l'on appelle un glitch.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

Les minuscules aimants à l'intérieur des atomes — les spins nucléaires — peuvent « se figer » pendant de longues minutes dans un cristal froid. Cela gêne le réglage rapide des capteurs quantiques : tout met trop de temps à atteindre l'état souhaité. Des physiciens ont trouvé un moyen de les stimuler avec de la lumière.

On vient d'arrêter de remuer une casserole d'eau : les entonnoirs et les tourbillons s'apaisent peu à peu, le liquide devient lisse. Un processus similaire, mais dans le monde quantique, se produit dans l'hélium superfluide ou dans un nuage d'atomes ultra-froids.

Dans l'hélium superfluide, le frottement visqueux disparaît — le liquide s'écoule comme un torrent de montagne, mais sans le moindre tourbillon, manifestant un effet quantique macroscopique.

Une bouilloire ordinaire : on chauffe — la température monte, et avec elle le désordre des molécules, la vapeur s'échappe. Mais en laboratoire, on a créé une « bouilloire » inhabituelle — un trou noir analogique fait de circuits supraconducteurs refroidis à l'extrême.

À l'intérieur du proton, ça bouillonne. Les quarks n'y sont pas simplement assis — ils sont collés par des particules messagères, les gluons (du mot anglais glue — colle). D'habitude, cette colle est étalée uniformément, comme du beurre sur une poêle. Mais quand les énergies deviennent énormes, les gluons commencent à se regrouper en amas.