Nous avons découvert des légions de particules étranges qui ne semblent avoir qu'une existence fantomatique à l'intérieur des matériaux. Malgré cela, ils sont à la base d'une technologie très moderne – alors sont-ils réellement réels?
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Lorsque nous pensons aux particules, nous avons tendance à les considérer comme des objets réels – de minuscules entités ponctuelles avec des propriétés définies telles que la position ou la vitesse. Mais les particules ne sont vraiment que des pointes énergiques dans les champs sous-jacents qui imprègnent l'univers, qui eux-mêmes ne peuvent pas être observés directement. Tout cela peut devenir un peu déroutant.
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Et pourtant, la création plus profonde vous attend lorsque vous considérez l'existence de quasiparticules, qui émergent des interactions complexes entre les particules «fondamentales» dans les solides, les liquides et les plasmas. Ils se vantent de propriétés presque magiques qui promettent de nouveaux matériaux et technologies exotiques, tout en nous forçant à affronter certaines de nos croyances profondément détenues sur les particules en général.
«Ils brouillaient beaucoup les eaux en ce qui concerne la question de savoir quelle est une particule», explique Douglas Natelson à l'Université Rice à Houston, au Texas. Un quasiparticule est «une sorte d'excitation dans un matériau qui a de nombreuses propriétés que vous considérez comme étant des particules», dit-il. Ils peuvent avoir une position et une vitesse raisonnablement bien définies. Ils peuvent avoir des frais. Ils peuvent transporter de l'énergie. Pourquoi, alors, ne sont-ils que des quasiparticules et non des particules réelles?
Cela revient à eux qui existaient uniquement à l'intérieur de la matière. Natelson le compare aux spectateurs faisant «la vague» dans un stade. « Nous pouvons regarder la vague et dire » Oh, regardez! Il y a une vague, c'est à peu près si grand et il se déplace à une certaine vitesse. » Mais la vague est en fait cette chose collective composée du comportement de tous les fans du stade. »
Pour faire en sorte que les quasiparticules existaient, les physiciens prennent un objet, comme un morceau de métal, et le soumettent à des températures ou des pressions ou des champs magnétiques extrêmes. Ensuite, ils observent le comportement collectif des particules à l'intérieur.
L'un de la première de ces phénomènes étranges a été découvert dans les années 40. C'était un «trou»: l'absence d'un électron chargé négativement où l'on devrait exister. Ces trous sautent à l'intérieur des solides comme les particules chargées positivement, et en les traitant comme des entités indépendantes, les chercheurs ont pu créer les semi-conducteurs qui alimentent désormais les ordinateurs portables et les smartphones.
«Fondamentalement, toute l'électronique moderne est basée sur des électrons et des trous», explique Leon Balents à l'Université de Californie à Santa Barbara. «Nous utilisons tout le temps de ces quasiparticules.»
Au cours des décennies intermédiaires, nous avons découvert un zoo entier de quasiparticules exotiques. Il y a des magnons, émergeant des vagues en spin, la propriété quantique qui est la base du magnétisme. Il y a des paires de Cooper, qui émergent à basse température et transportent une charge électrique sans résistance dans les supraconducteurs. La liste continue. Et, en effet, il continue de se développer à mesure que les physiciens prédisent et observent des espèces encore plus étranges avec des noms à consonance étrange, y compris des pi-tons, des fractons et même des rinklons.
L'un des plus excitants, dit les voleurs, sont des tout-bas de l'Aabélien. Contrairement à d'autres particules que nous connaissons, ces quasiparticules peuvent, en fait, rappeler comment elles ont été manipulées – une propriété qui en fait une proposition alléchante pour une utilisation dans les ordinateurs quantiques.
«Le jury est toujours sur le fait qu'ils seront réellement utiles», explique Balents. Néanmoins, Microsoft et d'autres grandes sociétés investissent massivement dans la recherche en quasiparticule.
L'autre raison pour laquelle les quasiparticules sont si fascinants nous ramènent à la question de ce qu'est une particule. Si les quasiparticules ont des propriétés en forme de particules, nous devons considérer que les particules «fondamentales» dont elles découlent les interactions duquel elles découlent – vos électrons, photons et quarks – peuvent eux-mêmes émerger de quelque chose de plus profond.
«Les choses que nous considérons comme des particules fondamentales sont-elles vraiment fondamentales, ou sont-elles en quelque sorte des quasiparticules de certaines théorie fondamentale sous-jacente?» dit Natelson. «Est-ce des éléphants tout le long?»
