Mécanique statistique cond-mat.stat-mech

Une équipe d'assembleurs de puzzle avec des pièces aléatoires : combien de mouvements simultanés faut-il pour reconstituer l'image ? Si les pièces sont indépendantes, toutes se placent d'un coup. Si chacune dépend de la précédente, il faut procéder une par une. Il en va de même pour les systèmes : certains états se rassemblent instantanément, d'autres exigent un long travail séquentiel.

Une foule sur une place. D'abord, chacun tourne à son propre rythme, mais soudain la musique change — et tout le monde commence à bouger en synchronie, comme un seul corps. C'est à peu près ainsi que se comportent les électrons dans certains métaux : tantôt ils s'accrochent aux impuretés magnétiques, tantôt ils s'en détachent et forment un ordre collectif.

L'intrication quantique ressemble à un ressort invisible entre les particules – comprimez l'une, et l'autre réagit, où qu'elle soit. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont construit un modèle de quatre spins (petites aiguilles magnétiques) en chaîne, où les spins extrêmes sont maintenus par un champ magnétique local.

Dans une chaîne de huit spins se cache un défaut — un minuscule moment magnétique. L'effet Kondo, connu depuis les années 1930, oblige les électrons autour de lui à former un écran collectif. La résistance du matériau augmente anormalement.

L'orchestre joue la symphonie du climat. Chaque violon, chaque instrument à vent mène sa propre partie : ce sont les modes de Kolmogorov, les rythmes naturels du système. Soudain, un coup de tonnerre éclate dans la salle : un saut brusque, comme une rafale de vent ou une averse. Autrefois, nous savions écouter uniquement le son continu, mais nous ne savions pas déchiffrer de tels accords.

Un mandat postal n'arrive pas immédiatement, mais après un délai déterminé – et le montant sur le compte du destinataire est supérieur à ce que l'expéditeur a déposé en espèces. C'est à peu près ainsi que fonctionne le nouveau protocole, baptisé téléportation quantique temporelle de l'énergie (TQET).

Dans une chaîne de spins froids étirée le long d'une ligne, l'ordre et le désordre peuvent s'entrelacer en un motif que les règles habituelles ne décrivent pas. Deux états de la matière, deux « ordres », sont séparés par un carrefour où les routes ne se rejoignent pas, mais divergent.

Cinq qubits supraconducteurs sur une puce : la scène où se joue le spectacle du chaos quantique. Quatre qubits forment le système, le cinquième constitue l'environnement qui introduit la dissipation.

Sur une balançoire, on peut s'asseoir et se balancer, ou simplement basculer d'un côté à l'autre. L'océan Pacifique fait les deux. Tous les quelques années, l'eau chaude au large du Pérou cède la place à de l'eau froide, et les précipitations, les vents, des écosystèmes entiers sur la moitié de la planète se réorganisent.

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.

Deux qubits, des bits quantiques, des systèmes à deux niveaux, glissent à travers les bains chaud et froid d'un champ thermique. L'un se déplace à 0,8 fois la vitesse de la lumière. À cet instant, la thermodynamique habituelle se fissure : un qubit en mouvement perçoit la température différemment d'un qubit au repos.

L'intrication quantique est une ressource fragile. Chauffez un système, et les fluctuations thermiques déchireront les fils ténus des corrélations : à une température suffisamment élevée mais finie, l'état de Gibbs d'un hamiltonien local devient séparable, c'est-à-dire représentable comme un mélange…

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.

Dans le monde quantique, le bruit détruit généralement le comportement ordonné, comme des secousses aléatoires qui arrêtent un pendule. Mais sur les processeurs quantiques d'IBM, les physiciens ont découvert l'inverse : un bruit structuré peut prolonger et même créer des oscillations rythmiques.

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.

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.

Pour dissoudre rapidement du sucre, pas besoin de remuer délicatement — il suffit de secouer le verre. Un principe similaire s'applique aux systèmes quantiques : le bruit, généralement considéré comme une nuisance, accélère la transition vers l'état thermique.

Le parapente, le deltaplane et le planeur : trois ailes différentes, mais dans le ciel, ils se comportent de la même manière. Les pilotes attrapent des courants d'air chaud invisibles, montent avec eux, puis glissent vers le suivant. Ce vol ressemble à une partie de marelle : un saut vers le haut, puis une glissade vers l'avant, et encore une recherche d'endroit pour sauter.

Deux graphes sont considérés comme identiques si leur « relief » correspond. Deux cartes avec des montagnes et des vallées : même si le dessin diffère, les hauteurs et les pentes peuvent être les mêmes.

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.

Cinq atomes de calcium chargés flottent dans un piège, maintenus par des champs électriques. Le refroidissement laser leur retire l'excès d'énergie, et ils s'alignent en une minuscule pyramide à base carrée.

Si l'on fait passer un courant dans un fil, le fil chauffe. Tout le monde le sait, surtout ceux qui ont déjà touché un chargeur de téléphone. Les physiciens appellent cela l'effet Joule, en l'honneur de James Joule, qui, au milieu du XIXe siècle, a mesuré la quantité de chaleur produite par l'électricité.

Toute machine, qu'il s'agisse d'un moteur de voiture ou d'un minuscule nanoréfrigérateur, fonctionne avec des tremblements. Le carburant brûle de manière irrégulière, les électrons traversent les contacts sans respecter d'horaire – et l'aiguille de puissance sur les instruments vibre légèrement. Ces vibrations sont appelées fluctuations.

Un groupe de personnes cherche un objet perdu dans un grand parc. Certains se fatiguent et partent, d'autres se joignent en chemin. Le nombre de chercheurs ne cesse de changer. Comment cela affecte-t-il le temps de recherche ? Jusqu'à présent, la science n'avait pas de réponse claire. Dans une nouvelle étude, un modèle général de ce processus a été construit.

Un ordinateur quantique ressemble à une bouilloire trop chaude : les particules s'y agitent dans tous les sens, et il faut les calmer pour obtenir une réponse utile. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont imaginé comment refroidir une chaîne de 19 spins quantiques (de petits aimants) directement sur un dispositif réel.

Une poignée de nanocristaux de sulfure de plomb, recouverts de molécules chargées, s'organise spontanément en un réseau cristallin parfait. Chaque nanocristal est comme une brique de quelques nanomètres, et les molécules chargées à sa surface jouent le rôle de mortier.

Secouez un bocal contenant du sable et des billes : vous verrez les gros objets remonter ou couler selon leur taille. Mais si vous secouez intelligemment, vous pouvez faire en sorte que les billes se rassemblent en paires et en chaînes, comme si elles étaient collées les unes aux autres.

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle, et une réunion d'une heure en dure deux. C'est un peu la même chose dans la lutte contre une épidémie : le service de traçage des contacts tente de reconstituer la chaîne de contamination, mais il y a toujours des oublis.

Le sel dans un verre d'eau, c'est une foule de particules chargées. Tant qu'il y a beaucoup d'eau, chaque particule nage seule, entourée d'un épais manteau de molécules d'eau. Mais si l'on continue d'ajouter du sel, l'eau vient à manquer pour tout le monde, et les particules commencent à se chercher.

Un verre figé semble immobile, mais à l'intérieur, les atomes sont restés bloqués dans des positions aléatoires, sans jamais trouver l'ordre parfait. Situation similaire dans les verres de spin : les moments magnétiques des atomes se figent, pointant dans des directions diverses, et le matériau perd sa capacité à s'aimanter simplement.

La température semble figée : une substance a une température, un point c'est tout. Mais si l'on y regarde de plus près, l'équilibre thermique ressemble à une cascade qui paraît immobile de l'extérieur, alors qu'elle est faite d'un flux d'eau ininterrompu. De même, tout corps à énergie finie échange sans cesse des photons avec son environnement.

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.

Le monde quantique est plein de surprises : même le simple fait d'observer une particule change son comportement. Dans de nouveaux travaux, des physiciens ont montré que la mesure continue de l'énergie peut rendre le chaos quantique plus prononcé.

Une casserole sur une cuisinière reçoit de la chaleur, mais pas de travail : le gaz sous le couvercle se contente de chauffer. Et si la cuisinière n'était pas ordinaire, mais quantique ? Alors la chaleur et le travail peuvent arriver en même temps, comme d'un moteur qui chaufferait en plus.

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.

La microconsole oscille à une fréquence de 1270 Hz, et sa position pilote un potentiel virtuel : un paysage énergétique invisible à deux puits, créé par la rétroaction.

L'orchestre se met à jouer à l'unisson, mais un chef d'orchestre caché change une seconde la direction de son geste. Ainsi du système qui tend vers l'équilibre : soudain, il fait un pas en arrière.

Lorsque l'embryon grandit, ses cellules ne se contentent pas de se diviser : elles touchent constamment leurs voisines, comme des passagers dans un bus bondé. De la force de ces contacts dépend la direction dans laquelle une cellule se déplace et la forme que prendra le tissu.

La tumeur ne reste pas en place. Des cellules individuelles ou des groupes entiers s'en détachent et partent en voyage à travers le corps. Certaines rampent en solitaires, comme des éclaireurs, d'autres restent ensemble, comme une petite bande. Des scientifiques ont construit un modèle informatique pour comprendre comment ces cellules choisissent leur direction.

Tous les deux ou trois ans, le courant chaud au large du Pérou se déplace, et les pêcheurs se retrouvent sans prise. C'est El Niño, la respiration de l'océan Pacifique tropical, qui influence la météo de l'Indonésie à la Californie. Prédire son apparition est aussi difficile que de prédire où roulera une pierre jetée dans une rivière tumultueuse.