Quantique: A vortex, vortex et demi...
Publié par Michel le 30/11/2009 à 00:00
Source: EPFL
Illustration: Science, Lagoudakis et al.
Tourbillon de polaritons au laboratoire d'optoélectronique quantique! Des physiciens de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) sont parvenus à observer pour la première fois un phénomène que la théorie avait prédit il y a plus de 20 ans. Les résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) d'une publication dans Science.

Tout le monde (Le mot monde peut désigner :) ou presque a déjà eu l'occasion d'observer un vortex. Il s'agit du tourbillon qui se forme quand on expédie l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) savonneuse par le siphon de la baignoire. Les physiciens de l'EPFL ont répété cette expérience, mais à une toute autre échelle. Le vortex qu'ils ont créé n'est pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait celui qu'on observe en salle de bain. Minuscule, il prend place dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est...), pris en sandwich entre deux infimes miroirs. Ephémère, il dure à peine un millième de milliardième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...). Tronqué, il s'agit à proprement parler d'un demi-vortex: "Un peu comme si dans un whisky-coca seul le whisky se mettait à tourner, le coca (La coca est une plante d'Amérique du Sud de la famille des Érythroxylacées. Elle joue un rôle important dans la culture andine, à travers ses utilisations rituelles ou médicinales. La cocaïne est...) restant immobile", explique Konstantinos Lagoudakis, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts, comprenant la rédaction et la...) au laboratoire d'optoélectronique quantique. Une propriété apparemment magique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...), comme aime à les mettre en évidence la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des quantiques.

Si l'existence des demi-vortex avait été prédite en 1985 par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien...) Grigori Volovik, ils n'avaient jamais pu être créés et observés en laboratoire. C'est désormais chose faite, grâce au travail de Konstantinos Lagoudakis. Supervisée par Benoît Deveaud-Plédran, sa recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) fait l'objet d'une publication dans la revue Science.

Un demi-vortex ne peut exister que dans un état particulier de la matière, appelé condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état quantique de plus basse...), dont les propriétés diffèrent radicalement des états gazeux, liquides ou solides. Pour ce faire, la matière doit être amenée à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) proche du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en...) absolu. Par exemple l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments....), qui devient un condensat à -270,98 C. Il est alors superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John...): il perd toute viscosité, à tel point (Graphie) qu'il s'écoule par les pores minuscules d'un récipient en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et...). En outre les particules, qui d'ordinaire se comportent de manière plutôt individualistes et se cognent les unes aux autres, sont "phasées", selon la terminologie quantique. "Dans l'état de condensat, si on chatouille une particule, les autres réagissent aussi. C'est comme dans un vol d'étourneaux, où les mouvements de chaque individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) sont parfaitement coordonnés", explique Benoît Deveaud-Plédran.

Pour créer leur demi-vortex, les scientifiques ont choisi de travailler sur la particule manipulable la plus légère actuellement: le polariton. Il est constitué d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), d'un "trou" et d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...). Aussi surprenant cela puisse-t-il être, sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre...) est inférieure à la somme de ses composants - il ne pèse qu'à peine un milliardième d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Avantage: il est si léger qu'il refroidit rapidement aux températures nécessaires pour atteindre l'état de condensat. Désavantage: sa durée de vie (La vie est le nom donné :) n'excède pas le milliardième de seconde. Créé à une température d'environ 350 °C, il est refroidi à -200 °C et mesuré en moins de 10^-12 seconde.

Pour obtenir des polaritons, les physiciens disposent d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de semi-conducteur, recouvert d'infimes couches réfléchissantes. Ces minuscules miroirs sont de véritables pièges à lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...). Ils n'en absorbent que quelques millièmes de pourcent, contre 20% pour un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être...) conventionnel.

Les scientifiques bombardent cet échantillon avec un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) extrêmement puissant. Quelques photons se trouvent alors piégés dans le semi-conducteur, entre les deux micro-miroirs, où ils rebondissent comme des boules de flipper. Certains d'entre eux interagissent avec le semi-conducteur: un électron et un trou sont créés. Egaré, un autre photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) s'associe au duo: c'est le début de la courte vie d'un polariton.

Les polaritons ainsi créés se trouvent dans deux groupes différents, les spin-up et les spin-down. Dans les conditions de l'expérience, les premiers restent immobiles tandis que les seconds se mettent en mouvement circulaire, alors même que les deux groupes de particules sont totalement mélangés, comme le whisky au coca dans l'exemple cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes sédentarisés libres (pouvant avoir des esclaves), constituant une...) en début d'article. Il s'agit d'un demi-vortex.

Avant de parvenir à ce résultat, Konstantinos Lagoudakis a passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...) de longues heures (L'heure est une unité de mesure  :) à observer la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de son semi-conducteur. Il a fini par en connaître les plus infimes recoins. D'expérience, il sait qu'en iradiant avec son laser telle ou telle région microscopique, il peut varier les proportions de spin-up et de spin-down parmi les polaritons créés. En actionnant deux molettes, il promène son regard sur la surface de l'échantillon, grand d'à peine quelques millimètres carrés. Sur un moniteur noir et blanc (Le noir et blanc sont considérés ou non comme des couleurs selon la discipline qui en parle : imprimerie, photographie, physique, peinture, théorie de la perception. Dans le langage courant, elles sont appelées...) se dessine une topographie torturée, toute de bosses et de crevasses. Pour se repérer, il a dû déployer toute une géographie (La géographie (du grec ancien γεωγραφία - geographia, composé de "η γη" (hê gê) la Terre et...) imaginaire. "Ici, se trouve ce que j'appelle l'île (Une île est une étendue de terre entourée d'eau, que cette eau soit celle d'un cours d'eau, d'un lac ou d'une mer. Son étymologie latine, insula, a donné l'adjectif « insulaire » ; on...) de Saint-Louis. Ici, un grand canyon...". Et s'il venait à perdre ce petit morceau de matière? "Alors ma carrière scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) est terminée" (1), répond-t-il avec un sourire distant et amusé.

(1) Benoît Devaud Plédran tient à nuancer cette conclusion: "Cela n'est même pas vrai. La carrière de Konstantinos ne fait que commencer, et elle est prometteuse!"
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