Gaz quantiques cond-mat.quant-gas

Dans une pièce sombre, le faisceau d'un laser dessine un point lumineux sur le mur. La lumière semble chaude et incontrôlable, mais depuis trois décennies, les physiciens l'utilisent comme une baguette de chef d'orchestre, faisant danser les atomes en cadence.

Une goutte d'encre dans un verre d'eau se disperse rapidement, colorant tout le liquide. C'est pareil pour les électrons dans un métal : ils se déplacent librement, comme des molécules dans un gaz. Mais si une impureté magnétique — un atome avec son propre moment magnétique — se retrouve dans ce milieu, quelque chose d'étrange se produit.

Un nuage de molécules 41K87Rb piégé dans un piège optique s'étend, comme un brouillard à l'aube. Chaque molécule est une paire faiblement liée d'atomes de potassium et de rubidium, suspendue au bord de la dissociation. Refroidir un tel nuage jusqu'à presque le zéro absolu sans briser les molécules, c'est un défi qui a longtemps résisté.

Deux acteurs sur la même scène. L'un est un fermion, capricieux et exigeant, difficile à faire jouer selon les règles d'un simulateur quantique. L'autre est un boson, docile et peu exigeant, prêt à prendre n'importe quelle place. Le metteur en scène espère que le public ne remarquera pas la substitution.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion rapide : l'inflation. Mais peut-être qu'avant cela, il se contractait, puis a rebondi. Les deux scénarios laissent une empreinte presque identique dans le rayonnement fossile, et les cosmologistes débattent depuis des décennies pour savoir lequel est le bon.

En 1867, James Clerk Maxwell imagina un démon qui trie les molécules d'un gaz, violant ainsi le deuxième principe de la thermodynamique. Le démon a besoin de connaître les vitesses des particules.

Dans un laboratoire, le temps fait généralement tic-tac au mur : aiguilles, chiffres, étalon de fréquence. Mais pour l'Univers, il n'existe pas d'horloge externe. L'équation de Wheeler-DeWitt, loi principale de la gravité quantique, ne contient pas le temps, et toutes les théories fondamentales n'ont pas de flèche du temps intégrée.

Une corde tendue entre deux quarks ne se rompt pas instantanément, comme un élastique. Elle vibre d'abord, des nœuds apparaissent, et ce n'est qu'ensuite qu'elle se brise, si elle se brise.

Des physiciens ont utilisé un simulateur quantique — un dispositif qui imite le comportement de particules chargées — pour étudier leurs collisions à des énergies énormes.

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.

La mosaïque de Penrose, composée de deux types de tuiles, pave le plan sans motif répétitif — une merveille mathématique découverte par Roger Penrose a trouvé une incarnation physique dans le monde quantique. Les chercheurs ont modélisé une chaîne de particules interagissant selon une règle qui rappelle les nombres de Fibonacci et le nombre d'or.

Tout tend vers l'équilibre : le thé refroidit, le pendule s'immobilise. Cette évolution se mesure par l'entropie, un désordre qui ne cesse de croître. Mais parfois, l'eau chaude gèle avant l'eau tiède. L'effet Mpemba n'est pas qu'une simple curiosité : il se manifeste aussi dans le monde quantique.

Les atomes, comme les brins d'une tresse, obéissent à une règle stricte : si un brin est « chargé », les voisins doivent se taire. Ce phénomène — le blocage de Rydberg — permet de tisser des motifs quantiques stables.

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.

Le vide n'est pas toujours vide : il peut receler de l'énergie, comme l'eau surfondue recèle de la glace. Les physiciens appellent cela le faux vide — un état qui n'attend qu'une impulsion pour basculer en avalanche vers le vrai vide.

L'hélium superfluide hélium s'écoule sans frottement, et des tourbillons y naissent — des entonnoirs microscopiques, semblables à ceux de l'eau eau. Deux de ces tourbillons peuvent jouer à saute-mouton : l'un saute par-dessus l'autre, et ils bondissent en cercle.

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.

Les cristaux de temps pulsent dans le temps, comme un métronome éternel qui n'aurait jamais besoin d'être remonté. L'idée a été proposée par Frank Wilczek il y a près de dix ans. Auparavant, pour que ce métronome ne se dérègle pas, on introduisait délibérément du désordre dans le système — un paradoxe, mais le chaos aidait le rythme.

Des atomes sont piégés dans un anneau de lumière. Ce n'est pas une métaphore : des faisceaux laser forment un piège annulaire dans lequel les atomes se déplacent en cercle. La lumière ne fait pas que les maintenir, elle relie aussi la rotation de l'atome à son « compas » interne — le spin.

Un nuage d'atomes ultra-froids, semblable à un brouillard, suggère que la gravité pourrait ne pas suivre les lois de Newton. Aux confins des galaxies, les étoiles se déplacent plus vite que prévu, et la théorie MOND modifie la loi de l'attraction à grande distance, éliminant le besoin de matière noire.

L'univers pourrait être né d'un état instable — le faux vide. C'est comme un verre d'eau refroidi sous zéro : la moindre secousse le transforme en glace. De même, dans le faux vide, une minuscule bulle de vrai vide peut s'étendre jusqu'à devenir un univers entier. Son destin dépend de sa taille à la naissance et de la force avec laquelle les particules à l'intérieur sont liées entre elles.

Deux particules se tiennent l'une à l'autre comme des alpinistes encordés, et foncent vers un mur. Vont-elles rebondir ensemble ou la corde va-t-elle se rompre ? De quoi cela dépend-il ? Les physiciens ont examiné le cas le plus simple : tout se passe sur une ligne droite, les particules ne s'attirent que lorsqu'elles se trouvent au même point, et le mur est absolument rigide.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

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 nuage froid d'atomes de sodium et de rubidium, des physiciens ont pour la première fois assemblé des molécules qui tournent comme des toupies lancées. Habituellement, dans les expériences ultra-froides, les atomes s'associent en paires sans rotation — comme deux personnes se tenant par la main et restant immobiles.

Jetez une poignée de petits pois dans une casserole de semoule : les pois couleront rapidement, en écartant les grains. Mais si la semoule est très épaisse et collante, les pois resteront coincés.

Le refroidissement met généralement de l'ordre : l'eau se fige en glace. Mais dans le monde quantique, l'ordre prend des formes inattendues. Les expérimentateurs ont refroidi des polaritons — des particules qui sont à la fois lumière et matière — presque jusqu'au zéro absolu.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition. Tant que les instruments sont peu nombreux, le chef peut diriger chacun séparément. Mais quand les musiciens se comptent par milliers, les commandes individuelles deviennent ingérables.

Des physiciens ont construit une chaîne d'atomes de Rydberg — des atomes dont les électrons occupent des orbites énormes, comparables à des trajectoires planétaires. Ces atomes géants sont très sensibles à leurs voisins, transformant la chaîne en un analogue quantique d'une corde.

Un vortex dans un gaz superfluide ressemble à un tourbillon dans un évier : le fluide tourne autour d'un cœur vide. Si l'on tord ce vortex trois fois plus fort que d'habitude, il ne tient pas — il se fragmente en trois tourbillons distincts, comme un épais jet d'eau qui se brise en gouttes.

Quatorze atomes de rubidium se sont alignés comme des perles sur un fil. Chaque atome est un minuscule aimant qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Ensemble, ils obéissent à des règles strictes, semblables à un horaire de trains : tout est prévisible, tout se répète. Mais il suffit d'une modification à peine perceptible pour que l'horaire déraille.

L'élastique est tendu — et soudain, il claque. Dans le monde des atomes, on observe un phénomène similaire : la corde qui lie les particules peut se rompre. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont pris une chaîne d'atomes de Rydberg et ont suivi comment une telle corde se brise.

Un trou noir est un endroit d'où même la lumière ne peut s'échapper. Mais la théorie quantique affirme qu'il émet néanmoins une faible lueur. Cette lueur est appelée rayonnement de Hawking. Dans l'espace, on ne peut pas l'observer : il est trop faible. C'est pourquoi les physiciens construisent des modèles de trous noirs à partir de matériaux ordinaires.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

Dans un nuage ultra-froid, les atomes de potassium se comportent comme des ondes qui peuvent se superposer et s'amplifier mutuellement — un peu comme les ondes sonores dans un instrument de musique créent un accord puissant.

Dans le monde macroscopique qui nous est familier, tout mouvement finit inévitablement par s'arrêter : le frottement, processus dissipatif qui disperse l'énergie, entre en jeu. Mais la réalité quantique réserve des surprises.

Un carrelage ordinaire forme un motif répétitif. Mais les atomes peuvent faire mieux : dans certaines conditions, ils assemblent seuls une mosaïque complexe dont le motif ne se répète jamais, comme sur les anciens panneaux de faïence.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

Des physiciens ont pris 114 atomes de rubidium, les ont refroidis à des températures proches du zéro absolu (comme dans les expériences avec l'hélium liquide) et les ont soigneusement disposés en un motif de nid d'abeille.

Un minuscule nuage d'atomes, refroidi à des millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, flotte dans un piège annulaire. Il ressemble à un collier lumineux, mais les physiciens l'ont fait vivre à la surface d'un beignet invisible. Grâce à des faisceaux laser et à des impulsions micro-ondes, trois états internes des atomes ont été couplés en un cycle.