L’univers recèle une part d’ombre qui échappe encore à nos instruments les plus sophistiqués. Depuis des décennies, la quête de la matière noire, cette substance invisible dont l’existence n’est déduite que par ses effets gravitationnels sur les galaxies, mobilise les physiciens du monde entier. Parmi les candidats les plus sérieux pour expliquer ce mystère figure l’axion, une particule subatomique hypothétique dont la détection directe reste, à ce jour, l’un des plus grands défis de la physique moderne. Si l’axion lui-même demeure insaisissable dans le vide du cosmos, des chercheurs ont réussi l’exploit de le recréer sous une forme simulée au cœur de la matière.
- Des chercheurs de Harvard ont généré des quasi-particules imitant presque parfaitement le comportement des axions, candidats majeurs à la matière noire.
- Cette prouesse expérimentale a été réalisée grâce à l’utilisation du tellurure de manganèse-bismuth, un matériau aux propriétés magnétiques et électriques couplées.
- La découverte ouvre la voie à la conception de nouveaux détecteurs capables d’amplifier les signaux de véritables axions cosmiques.
Dans une étude publiée le 16 avril dans la revue Nature, une équipe de scientifiques rapporte avoir conjuré ces « imitateurs » d’axions au sein d’une fine couche de matériau cristallin. Bien qu’il ne s’agisse pas de la particule fondamentale voyageant à travers l’espace, ces entités se comportent de manière quasi identique, offrant ainsi un laboratoire inédit pour étudier les propriétés de cette particule fantôme.
L’axion : une particule fantôme pour expliquer la matière noire
L’axion n’est pas une simple curiosité théorique. S’il existe, il pourrait résoudre deux problèmes majeurs de la physique : l’énigme de la matière noire et certaines incohérences dans les interactions nucléaires fortes. Cependant, malgré des efforts internationaux considérables, les physiciens ont jusqu’à présent échoué à le débusquer. Récemment, les physiciens ont affiné la plage de masse potentielle de cette particule, mais le signal direct se fait toujours attendre.
C’est ici qu’intervient le concept de quasi-particule. En physique de la matière condensée, une quasi-particule n’est pas une entité élémentaire comme l’électron ou le photon, mais un phénomène émergent résultant du comportement collectif de milliards de particules au sein d’un solide. « C’est un travail tout à fait impressionnant », souligne Seongshik Oh, physicien expérimental à l’université Rutgers, qui n’a pas participé à l’étude. « Il s’agit de la première observation de quelque chose qui ressemble véritablement à des particules d’axions. »
Selon le chimiste Suyang Xu de l’université de Harvard, l’imitation est si fidèle qu’elle permet d’étudier la dynamique interne de l’axion sans avoir besoin de le capturer dans l’espace lointain. « Ils se comportent presque exactement de la même manière que la particule d’axion », explique-t-il. Cette approche permet de contourner les difficultés liées à l’observation de la matière noire en recréant ses propriétés fondamentales dans un environnement contrôlé.
Le tellurure de manganèse-bismuth : un simulateur quantique inédit
Pour donner vie à ces quasi-particules, l’équipe de Harvard a dû identifier un matériau aux propriétés électromagnétiques très spécifiques. Le choix s’est porté sur le tellurure de manganèse-bismuth, un composé synthétisé pour la première fois en 2019. Dans ce matériau, les champs électriques et magnétiques sont intimement liés : l’application d’un champ électrique induit une magnétisation, et inversement.
L’idée de créer des quasi-particules d’axions remonte à une proposition théorique de 2010, mais il aura fallu quinze ans pour que la technologie et les matériaux soient à la hauteur. Pour valider leur découverte, Suyang Xu, Jianxiang Qiu et leurs collègues ont utilisé une technique de double laser. Le premier laser a servi à générer un « magnon » — une onde magnétique traversant le matériau. Le second laser a ensuite été utilisé pour sonder la magnétisation en temps réel.
Les résultats ont révélé une oscillation précise du couplage entre le champ électrique et la magnétisation. Cette oscillation est la signature irréfutable, la « marque de fabrique » de l’axion. Bien que des indices de quasi-particules d’axions aient été rapportés par le passé dans d’autres matériaux, les preuves restaient indirectes. Ici, l’observation de l’oscillation temporelle constitue, selon Jianxiang Qiu, la définition même de la quasi-particule recherchée.
Vers une nouvelle génération de détecteurs de matière noire
Au-delà de la confirmation théorique, cette avancée pourrait transformer la recherche de la matière noire à l’échelle cosmologique. Le tellurure de manganèse-bismuth ne se contente pas de simuler l’axion ; il pourrait servir de composant central pour de futurs détecteurs ultra-sensibles.
Le mécanisme envisagé est celui de l’amplification. Si un véritable axion cosmique traverse un champ magnétique entourant ce matériau, il se transformerait en photon. Ce photon interagirait alors avec les quasi-particules d’axions présentes dans le tellurure de manganèse-bismuth. Cette interaction agirait comme un amplificateur, rendant le signal du photon — normalement trop faible pour être perçu — suffisamment robuste pour être détecté par nos instruments actuels.
Cette découverte marque une étape charnière. En réussissant à domestiquer le comportement de l’axion sous forme de quasi-particule, les scientifiques disposent désormais d’un pont entre la physique de la matière condensée et l’astrophysique des particules. Si l’incertitude demeure quant à la présence réelle des axions dans l’univers, les chercheurs disposent désormais d’un nouvel outil pour transformer cette hypothèse en certitude expérimentale.
