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Des physiciens mesurent pour la première fois la géométrie quantique des électrons

Les électrons occupent une place centrale dans notre compréhension de l’univers ainsi qu’au sein des technologies modernes. Pourtant, leur comportement et leurs propriétés à l’échelle quantique restent en grande partie mystérieux. Récemment, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a réalisé une avancée majeure en mesurant pour la première fois la géométrie quantique des électrons dans un matériau solide. Mais de quoi parle-t-on précisément ? Et quelles sont les implications d’une telle percée ?

Le monde étrange des électrons

Dans l’univers quantique, les électrons ne se comportent pas comme des objets que nous connaissons dans notre vie quotidienne, mais peuvent être vus à la fois comme des particules et des ondes. Cette double nature est décrite par un outil mathématique appelé la fonction d’onde qui nous donne des informations sur l’électron : sa position, sa vitesse, et même sa forme.

Cela étant dit, imaginez maintenant une surface lisse et régulière, comme une balle de tennis : c’est une bonne image pour illustrer une forme simple d’électron. Maintenant, visualisez un ruban de Möbius, cette forme fascinante explorée par l’artiste MC Escher où le ruban semble se tordre sur lui-même de manière infinie, un peu comme un chemin qui ne revient jamais au point de départ. Cette dernière image représente les formes plus complexes que peuvent prendre certains électrons dans des matériaux spéciaux appelés matériaux quantiques.

Cependant, jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient pas mesurer directement cette géométrie quantique des électrons. Ils pouvaient seulement théoriser sur sa nature. Or, cette géométrie joue un rôle clé dans des propriétés essentielles, comme la conductivité ou le magnétisme, qui rendent certains matériaux particulièrement intéressants pour des applications de pointe.

Une quête scientifique de longue haleine

La difficulté à mesurer la géométrie quantique vient de plusieurs facteurs. Les outils traditionnels de la physique des matériaux, comme la spectroscopie ou la diffraction, permettent d’étudier l’énergie et la vitesse des électrons, mais pas leur forme dans l’espace. En outre, les matériaux étudiés, souvent des cristaux complexes, ont une structure qui complique encore davantage l’observation directe de leurs propriétés quantiques.

Malgré ces défis, l’intérêt pour la géométrie quantique n’a cessé de croître. Avec l’essor de l’informatique quantique et des dispositifs électroniques avancés, comprendre ces propriétés devient crucial. Mesurer la forme des électrons est comme découvrir une nouvelle dimension de leur comportement. Cela pourrait révolutionner la manière dont nous concevons et utilisons les matériaux dans des technologies futures.

Une méthode innovante pour une découverte majeure

Pour relever ce défi, l’équipe du MIT a utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. En termes simples, cette méthode consiste à bombarder un matériau avec de la lumière pour en faire sortir des électrons, puis à analyser la manière dont ils réagissent. Cela donne des informations précises sur leur énergie et leur mouvement.

Cependant, pour mesurer la géométrie quantique, il a fallu adapter la technique ARPES. Les chercheurs ont travaillé sur un matériau appelé métal kagome qui est connu pour ses propriétés quantiques exotiques. Ce matériau tire son nom de sa structure cristalline en forme de réseau de triangles semblable à un motif traditionnel japonais. Grâce à des modifications spécifiques de l’ARPES, les chercheurs ont pu non seulement observer la trajectoire des électrons, mais aussi leur forme ondulatoire unique.

Cette avancée n’aurait pas été possible sans une collaboration étroite entre théoriciens et expérimentateurs. Riccardo Comin, physicien au MIT, a même dû mener lui-même certaines expériences en Italie pendant la pandémie en raison des restrictions de déplacement de son équipe. Cette anecdote illustre à quel point la science repose parfois sur des efforts individuels dans des circonstances exceptionnelles.(Photo dessin : schéma de la configuration CD-ARPES à spin résolu.)

Les implications et applications

Cette découverte dépasse le simple cadre académique, car comprendre la géométrie des électrons ouvre des perspectives prometteuses dans plusieurs domaines technologiques. Par exemple, dans l’informatique quantique, une meilleure connaissance de la géométrie quantique pourrait permettre de concevoir des qubits plus stables et efficaces, un élément clé pour le développement de processeurs quantiques. Dans l’électronique avancée, cela pourrait conduire à des matériaux plus performants capables de transporter de l’électricité sans perte ou de fonctionner comme des capteurs ultra-sensibles.

En outre, cette méthode de mesure peut être appliquée à une grande variété de matériaux quantiques, pas seulement au métal kagome. Cela signifie que les chercheurs disposent désormais d’un outil puissant pour explorer un large éventail de matériaux aux propriétés encore inconnues. Ces travaux pourraient transformer notre manière d’aborder la conception de nouveaux dispositifs.

Enfant, au milieu de ce no man’s land que je parcourais tous les jours, j’étais libre. De l’école et des liens du sang, dans un territoire sans règles, sans propriétaire. En apesanteur, le long de cette diagonale diaphane, je prolongeais l’expérience, ralentissais mon allure, ma respiration, le battement de mon cœur et la fréquence de mes pensées, douces vagues dans la mer de mon esprit. Je goûtais le réel, bien plus réel que toute forme d’identité administrative pouvait nous le faire croire.

La langue, c’est le divin à la portée des bipèdes. Plus on la cherche avec sa tête, plus elle nous échappe. Plus on la vit avec son corps, plus elle s’enrichit.

Jeanne est une des meilleures amies de ma sœur, qui a fait la même école de commerce qu’elle. Une grande blonde plantureuse aux yeux verts et à la peau translucide parée de multiples grains de beauté et taches de rousseur. Pourtant issue d’un milieu modeste, elle avait réussi brillamment le concours d’entrée à l’ESSEC. Elle confirmait l’exception de la théorie de Bourdieu sur la reproduction sociale. Sa mère, une infirmière férue de mots croisés et de jeux télévisés, lui avait donné le goût des études et son père – mécanicien apathique et taiseux, dont le seul divertissement connu était de tromper son épouse – le besoin impérieux de séduire. Ainsi, avec les hommes et sans en être consciente, elle usait et abusait de ses charmes, portait des talons hauts malgré sa grande taille et n’hésitait pas à suggérer par différents moyens le galbe harmonieux de son buste

- Et toi alors ? Marié, des enfants ?

- En Russie, my friend, on se marie comme on va acheter du

pain, ou plutôt de la vodka, sur un coup de tête.

Il cita Montesquieu qui croyait à l’existence d’un lien entre climat et tempérament. Pour lui, la femme russe était comme le sol des steppes, froide pendant les longs mois d’hiver et brûlante durant les quelques semaines d’été qu’il ne fallait pas rater. Je ne connaissais pas cette théorie, mais interprétée de cette façon, elle me paraissait empreinte de misogynie et détournée de son sens premier.

Le caractère des Anglais marqué dans tous les temps est une certaine impatience que le climat leur donne, et qui ne leur permet ni d’agir longtemps de la même manière, ni de souffrir longtemps les mêmes choses : caractère qui n’est point grand en lui-même, mais qui peut le devenir beaucoup, lorsqu’il n’est point mêlé avec de la faiblesse, mais avec ce courage que donnent le climat, la liberté et les lois.



 

C’est son schéma familial, tu sais, sa mère non plus, ne l’a

jamais félicitée. Ça ne veut pas dire qu’au fond d’elle-même, elle n’est pas fière de nous. Elle opine de la tête. Ça n’excuse pas son comportement. Je regrette à présent d’avoir mis le sujet sur la table. J’espère au moins que cette poignante prise de conscience permettra à ma sœur de se libérer d’un poids. Le fardeau d’un modèle parental construit sur un leurre et patiemment entretenu toutes ces années pour chercher dans l’excellence académique, puis professionnelle l’impossible satisfaction d’une mère, elle-même aveuglée par son propre reflet dans l’eau, froide narcisse du statut social.

Romain a toujours manqué de confiance en lui, en grande partie à cause de son embonpoint qu’il traîne comme un boulet. Souvent dans un état de légère dépression, latente, récurrente, structurelle même, il a trouvé dans les romans de Thomas Ménez – et en particulier dans le premier livre de cet ancien ingénieur informaticien, son " chef-d’œuvre absolu " selon lui, Dernière manifestation d’un corps social, " Manifestation " pour les connaisseurs – une connivence, un écho, et dans ses personnages des alter ego, des porte-voix. Dans ce court roman, un être à la dérive nous livre sans concession sa vie de dépressif frustré et en tire une théorie sociale sur le sexe. Un vague espoir surgit au milieu du récit, pour se dissiper aussitôt et le roman se termine sur une paix éphémère dans un paysage bucolique, que l’on devine être l’antichambre d’un suicide. D’après Romain, c’est la vérité crue enfin dévoilée.

L’être humain et la terre sont comme les deux faces d’une même pièce, my friend ! Quand l’un gagne, l’autre perd ! Nous ne faisons que nourrir la terre de nos vies. Quand je voyais la steppe à perte de vue, enfant, je savais que c’était moi que je regardais à travers elle et que si je lui donnais ce qu’elle voulait, elle me laisserait tranquille. Ma tante a souffert toute sa vie dans sa chair, parce qu’elle n’a jamais su pardonner à son mari. Fondu de nouveau dans la steppe, il nous observait, je le sais, et il ne pouvait pas trouver la paix sans le pardon de sa femme.