La joie de la matière condensée – Numéro 111 : Pleins feux

Joyeuses fêtes. Dans ce numéro spécial, nous réimprimons nos meilleurs articles de l’année dernière. Cet article a été publié pour la première fois en ligne dans notre numéro « Wonder » en février 2021.

Etout le monde semble parler des problèmes de physique : le livre de Peter Woit Même pas faux, Lee Smolin Le problème avec la physique, et celle de Sabine Hossenfelder Perdu en maths saute à l’esprit, et ils ont commencé une conversation plus large. Mais toute la physique est-elle vraiment en difficulté, ou juste une partie ? Si vous lisez réellement ces livres, vous verrez qu’ils traitent de la physique dite « fondamentale ». Certaines autres parties de la physique se portent très bien, et je veux vous en parler d’une. C’est ce qu’on appelle la « physique de la matière condensée », et c’est l’étude des solides et des liquides. Nous vivons à l’âge d’or de la physique de la matière condensée.

Mais d’abord, qu’est-ce que la physique « fondamentale » ? C’est un terme délicat. Vous pourriez penser que tout développement véritablement révolutionnaire en physique compte comme fondamental. Mais en fait les physiciens utilisent ce terme de manière plus précise, étroitement délimitée. L’un des objectifs de la physique est de comprendre certaines lois que, au moins en principe, nous pourrions utiliser pour prédire tout ce qui peut être prédit sur l’univers physique. La recherche de ces lois relève de la physique fondamentale.

Il y a encore beaucoup de nouvelles physiques époustouflantes en cours.

Les petits caractères sont cruciaux. Premièrement : « en principe ». En principe, nous pouvons utiliser la physique fondamentale que nous connaissons pour calculer le point d’ébullition de l’eau avec une précision immense, mais personne ne l’a encore fait, car le calcul est difficile. Deuxièmement : « tout ce qui peut être prédit. » Pour autant que nous puissions en juger, la mécanique quantique dit qu’il y a un caractère aléatoire inhérent aux choses, ce qui fait quelques prédictions impossible, pas seulement impraticable, à réaliser avec certitude. Et ce caractère aléatoire quantique inhérent est parfois amplifié au fil du temps, par un phénomène appelé chaos. Pour cette raison, même si nous savions tout sur l’univers maintenant, nous ne pourrions pas prédire le temps avec précision dans un an. Ainsi, même si la physique fondamentale réussissait parfaitement, elle serait loin de donner la réponse à toutes nos questions sur le monde physique. Mais c’est quand même important, car cela nous donne le cadre de base dans lequel nous pouvons essayer de répondre à ces questions.

UNEes aujourd’hui, les recherches en physique fondamentale nous ont donné le Modèle Standard (qui cherche à décrire la matière et toutes les forces à l’exception gravité) et la Relativité Générale (qui décrit la gravité). Ces théories connaissent un énorme succès, mais nous savons qu’elles ne sont pas le dernier mot. De grandes questions restent sans réponse, comme la nature de la matière noire, ou tout ce qui nous fait croire qu’il y a de la matière noire. Malheureusement, les progrès sur ces questions sont très lents depuis les années 1990. Heureusement, la physique fondamentale n’est pas toute la physique, et aujourd’hui ce n’est plus la partie la plus passionnante de la physique. Il y a encore beaucoup de nouvelles physiques époustouflantes en cours. Et une grande partie, mais en aucun cas la totalité, est de la physique de la matière condensée.

Traditionnellement, le travail de la physique de la matière condensée consistait à prédire les propriétés des solides et des liquides présents dans la nature. Parfois, cela peut être très difficile : par exemple, calculer le point d’ébullition de l’eau. Mais maintenant, nous connaissons suffisamment la physique fondamentale pour concevoir de nouveaux matériaux étranges – et puis en fait Fabriquer ces matériaux, et sonder leurs propriétés avec des expériences, tester nos théories sur la façon dont ils devraient fonctionner. Mieux encore, ces expériences peuvent souvent être réalisées sur une table. Ici, pas besoin d’énormes accélérateurs de particules.

Regardons un exemple. Nous allons commencer par l’humble « trou ». Un cristal est un réseau régulier d’atomes, chacun avec des électrons en orbite. Lorsque l’un de ces électrons est détruit d’une manière ou d’une autre, nous obtenons un « trou » : un atome avec un électron manquant. Et ce trou peut en fait se déplacer comme une particule ! Lorsqu’un électron d’un atome voisin se déplace pour remplir le trou, le trou se déplace vers l’atome voisin. Imaginez une file de gens portant tous des chapeaux sauf un dont la tête est nue : si leur voisin leur prête leur chapeau, la tête nue se déplace vers le voisin. Si cela continue de se produire, la tête nue se déplacera le long de la file de personnes. L’absence d’une chose peut agir comme une chose !

Le célèbre physicien Paul Dirac a eu l’idée des trous en 1930. Il a correctement prédit que puisque les électrons ont une charge électrique négative, les trous devraient avoir une charge positive. Dirac travaillait sur la physique fondamentale : il espérait que le proton pourrait être expliqué comme un trou. Cela s’est avéré ne pas être vrai. Plus tard, les physiciens ont trouvé une autre particule qui pourrait : le « positron ». C’est comme un électron avec la charge opposée. Et c’est ainsi que l’antimatière – la jumelle maléfique de la matière ordinaire, avec la même masse mais la charge opposée – est née. (Mais c’est une autre histoire.)

Nous vivons maintenant à l’ère de la « matière de designer ».

En 1931, Werner Heisenberg appliqua l’idée des trous à la physique de la matière condensée. Il s’est rendu compte que, tout comme les électrons créent un courant électrique lorsqu’ils se déplacent, les trous aussi, mais parce qu’ils sont chargés positivement, leur courant électrique va dans l’autre sens ! Il est devenu évident que les trous transportent du courant électrique dans certains des matériaux appelés «semi-conducteurs» : par exemple, du silicium avec un peu d’aluminium ajouté. Après de nombreux développements, en 1948, le physicien William Schockley a breveté des transistors qui utilisent à la fois des trous et des électrons pour former une sorte de commutateur. Il a plus tard remporté le prix Nobel pour cela, et maintenant ils sont largement utilisés dans les puces informatiques.

Les trous dans les semi-conducteurs ne sont pas vraiment des particules au sens de la physique fondamentale. Ils ne sont qu’un moyen pratique de penser au mouvement des électrons. Mais toute abstraction suffisamment commode prend vie. Les équations qui décrivent le comportement des trous sont comme les équations qui décrivent le comportement des particules. Ainsi, nous pouvons traiter les trous comme si ce sont des particules. Nous avons déjà vu qu’un trou est chargé positivement. Mais parce qu’il faut de l’énergie pour faire bouger un trou, un trou agit aussi comme s’il avait une masse. Et ainsi de suite : les propriétés que nous attribuons normalement aux particules ont également un sens pour les trous.

Les physiciens ont un nom pour les choses qui agissent comme des particules même si elles ne le sont pas : des « quasi-particules ». Il en existe de nombreuses sortes ; les trous ne sont que l’un des plus simples. La beauté des quasiparticules est que nous pouvons pratiquement les fabriquer sur commande, ayant une grande variété de propriétés. Comme l’a dit le physicien quantique Michael Nielsen, nous vivons maintenant à l’ère de la « matière de conception ».

Par exemple, considérons le « exciton ». Comme un électron est chargé négativement et un trou est chargé positivement, ils s’attirent. Et si le trou est beaucoup plus lourd que l’électron – rappelez-vous qu’un trou a une masse – un électron peut orbiter autour d’un trou comme un électron orbite autour d’un proton dans un atome d’hydrogène. Ainsi, ils forment une sorte d’atome artificiel appelé exciton. C’est une danse fantomatique de présence et d’absence !

L’idée des excitons remonte à 1931. À l’heure actuelle, nous pouvons fabriquer des excitons en grande quantité dans certains semi-conducteurs et autres matériaux. Ils ne durent pas longtemps : l’électron retombe rapidement dans le trou. Cela prend souvent moins d’un milliardième de seconde pour que cela se produise. Mais c’est assez de temps pour faire des choses intéressantes. Tout comme deux atomes d’hydrogène peuvent se coller et former une molécule, deux excitons peuvent se coller et former un « biexciton ». Un exciton peut coller à un autre trou et former un « trion ». Un exciton peut même coller à un photon— une particule de lumière — et forment ce qu’on appelle un « polariton ». C’est un mélange de matière et de lumière !

Pouvez-vous faire un gaz d’atomes artificiels? Oui! À faible densité et à haute température, les excitons se déplacent comme des atomes dans un gaz. Pouvez-vous faire un liquide? Encore une fois, oui : à des densités plus élevées et à des températures plus froides, les excitons se heurtent suffisamment pour agir comme un liquide. À des températures encore plus froides, les excitons peuvent même former un « superfluide », avec une viscosité presque nulle : si vous pouviez d’une manière ou d’une autre le faire tourbillonner, cela durerait pratiquement pour toujours.

Ce n’est qu’un petit aperçu de ce que font les chercheurs en physique de la matière condensée de nos jours. Outre les excitons, ils étudient une foule d’autres quasiparticules. Un « phonon » est une quasi-particule de son formée à partir de vibrations se déplaçant à travers un cristal. Un « magnon » est une quasi-particule d’aimantation : une impulsion d’électrons dans un cristal dont les spins ont basculé. La liste s’allonge et devient de plus en plus ésotérique.

Mais il y a aussi beaucoup plus dans le domaine que des quasi-particules. Les physiciens peuvent désormais créer des matériaux dans lesquels la vitesse de la lumière est beaucoup plus lente que d’habitude, disons à 40 milles à l’heure. Ils peuvent même créer des matériaux dans lesquels la lumière se déplace comme s’il y avait deux dimensions d’espace et deux dimensions de temps, au lieu des habituelles trois dimensions d’espace et une de temps ! Normalement, nous pensons que le temps peut avancer dans une seule direction, mais dans ces substances, la lumière a le choix entre de nombreuses directions différentes, elle peut « avancer dans le temps ». En revanche, sa motion en espace est confiné à un avion.

Bref, les possibilités de la matière condensée ne sont limitées que par notre imagination et les lois fondamentales de la physique.

UNEÀ ce stade, un certain sceptique se présente généralement et se demande si ces choses sont utiles. En effet, certains de ces nouveaux matériaux sont susceptibles d’être utile. En fait, une grande partie de la physique de la matière condensée, bien que moins glamour que ce que je viens de décrire, est réalisée précisément pour développer de nouvelles puces informatiques améliorées – ainsi que des technologies comme la «photonique», qui utilise la lumière au lieu des électrons. Les fruits de la photonique sont omniprésents – elle sature la technologie moderne, comme les téléviseurs à écran plat – mais les physiciens visent désormais des applications plus radicales, comme les ordinateurs qui traitent l’information à l’aide de la lumière.

Ensuite, généralement, un autre type de sceptique se présente et demande si la physique de la matière condensée est « juste de l’ingénierie ». Bien sûr, la prémisse même de cette question est insultante : il n’y a rien de mal à l’ingénierie ! Essayer de construire des choses utiles n’est pas seulement important en soi, c’est un excellent moyen de soulever de nouvelles questions profondes sur la physique. Par exemple, tout le domaine de la thermodynamique et l’idée d’entropie sont nés en partie de la tentative de construire de meilleures machines à vapeur. Mais la physique de la matière condensée n’est pas seulement de l’ingénierie. Une grande partie de cela est une recherche du ciel bleu sur les possibilités de la matière, comme j’en ai parlé ici.

De nos jours, le domaine de la physique de la matière condensée est tout aussi riche de nouvelles connaissances enrichissantes que l’étude des particules élémentaires ou des trous noirs. Et contrairement à la physique fondamentale, les progrès en physique de la matière condensée sont rapides, en partie parce que les expériences sont relativement peu coûteuses et faciles, et en partie parce qu’il y a plus de nouveaux territoires à explorer.

Ainsi, lorsque vous voyez quelqu’un déplorer les malheurs de la physique fondamentale, prenez-le au sérieux, mais ne vous laissez pas abattre. Il suffit de trouver un bon article sur la physique de la matière condensée et de le lire. Vous vous remonterez le moral immédiatement.

John Baez est professeur de mathématiques à l’Université de Californie à Riverside et chercheur invité au Center for Quantum Technologies à Singapour. Il blogue sur les mathématiques, les sciences et les problèmes environnementaux à Azimuth.

Image principale : Stef Simmons, UCL Sciences Mathématiques et Physiques / Flickr