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Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient beaucoup plus lourds. Pas étonnant que cette invention ait fait l’objet du prix Nobel de chimie 2019, décerné à parts égales à John Goodenough (Américain, 97 ans), Stanley Whittingham (Britannique, 78 ans), Akira Yoshino (Japonais, 71 ans).

Une pile est toujours composée de deux bornes, les électrodes, constituées de matériaux différents. Dans les grandes lignes, voici comment fonctionne une pile. Le matériau employé à la borne négative - appelée anode - perd des électrons et produit ainsi des ions positifs, des cations : il y a oxydation. Electrons et cations se précipitent alors par deux chemins différents vers l’autre borne, celle qui est positive - appelée cathode - où ils se rejoignent. Tandis que les cations y vont par l’intérieur de la pile en traversant un liquide, un milieu pâteux, les électrons passent par le circuit extérieur et alimentent le dispositif électrique.  A la cathode, les cations récupèrent ainsi leurs électrons : il y a réduction. Bien entendu, l’aptitude des deux matériaux à céder des électrons doit être différente, afin que l’un en cède et l’autre en récolte. Cette aptitude, appelée aussi potentiel, est mesurée en volts. Plus l’écart des aptitudes est important, plus la différence de potentiel ou ddp est grande, et plus la pile possède un « voltage » élevé.

Dans le tableau périodique des éléments, le meilleur donneur est justement… le lithium qui, de plus, a le gros avantage d’être très peu dense (0,5 g/cm3). Une pile avec une anode en lithium peut donc être très légère. Malheureusement, le lithium pur, métallique, s’oxyde très facilement et peut s’enflammer voire exploser au contact de l’eau. Grâce aux recherches menées au cours des années 1970 et 1980, les premières batteries sûres au lithium voient le jour en 1991 et commencent à équiper l’électronique portable. Généralement, à l’anode, les atomes de lithium sont intercalés (insérés) dans du carbone et lors de l’usage de la pile, les cations lithium ayant quitté le carbone migrent à travers un polymère avant de s’insérer à la cathode, constituée d’oxyde de cobalt. Dans une telle configuration, la ddp peut atteindre 3 voire 4 volts. Lors de la charge, c’est le processus inverse qui a lieu.
Même si le prix Nobel de cette année vient couronner cette invention, le lithium n’a pas dit son dernier mot. En effet, un gros progrès serait réalisé lorsqu'aura été mis au point une batterie sûre avec du lithium pur à l’anode et pourquoi pas avec du fluor, qui est le meilleur receveur, à la cathode. Des prix Nobel à venir…

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du premier stage au premier emploi


Le délai de Newton-Wigner
La réflexion totale est décrite par des lois connues depuis le XVIIe siècle. Ou presque.

(C) Wikimedia

Une avancée récente devrait permettre une meilleure maîtrise de la transmission de l’information par fibre optique

Un peu de réflexion
Dans une fibre optique, la lumière est guidée et transmise d’un bout à l’autre de la fibre par de multiples réflexions. Examinons le phénomène de plus près. De manière générale, lorsqu’un faisceau lumineux aborde l’interface séparant deux milieux transparents, il se divise en deux. L'un quitte le premier milieu et passe dans le second avec changement de direction, c’est la réfraction. L’autre est renvoyé dans le premier milieu : il « rebondit » à l’interface avec un angle égal à l’angle d’incidence, c’est la réflexion. Si deux conditions sont réunies, la part réfractée peut être nulle, toute la lumière étant réfléchie, l’interface jouant le rôle d’un miroir. On parle alors de « réflexion totale ». C’est grâce à elle que la lumière voyage dans une fibre optique. Pour qu’il y ait réflexion totale, il faut que la lumière se propage moins vite dans le premier milieu (indice de réfraction plus élevé) que dans le second (indice moins élevé), et il faut aussi que le faisceau aborde l’interface sous un angle (par rapport à la verticale) supérieur à un angle critique qui dépend du rapport des deux vitesses, c’est l’angle de réflexion totale. On peut facilement observer cet effet miroir, en regardant de près l’interface eau-air, en étant dans l’eau, dans une piscine par exemple. Il faut être près de la surface de manière à ce que l’angle sous lequel le regard est porté soit supérieur à 49 degrés. Cette « optique géométrique » était connue dès le XVIIe siècle, notamment par Snell et Descartes.

L'onde évanescente
Cependant, Newton remarque que lors de la réflexion totale, la lumière semble quitter le premier milieu sur une très courte distance avant de revenir en arrière. Tout se passe comme si l’onde lumineuse se réfléchissait non à l’interface, mais un peu au-delà, dans le second milieu d’indice plus faible. Cette onde qui quitte le premier milieu avant de rebrousser son chemin est appelée « onde évanescente ». A cause de ce phénomène dont l’analogue quantique est appelé « effet tunnel », le faisceau réfléchi est très légèrement décalé par rapport à celui que prévoit l’optique géométrique, et il est également un petit peu en retard par rapport à lui. Le décalage spatial a été mesuré en 1947 par Goos et Hänchen. Quant au décalage temporel, étudié théoriquement par Wigner en 1955 et appelé « délai de Newton-Wigner », de l’ordre de 10-14 s, il vient d’être mesuré de manière indiscutable par des chercheurs rennais.
Le délai de Newton-Wigner
On comprend que ces décalages spatiaux et temporels affectent la transmission de l’information dans les fibres. Au-delà de son intérêt théorique, la meilleure compréhension de la réflexion totale devrait améliorer la technologie des fibres optiques.  
Publié le 17/10/1017

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Kamil Fadel
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