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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

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. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Un nouveau comportement des électrons
Aperçu de la modélisation de la conduction électrique et de sa complexité

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, les charges électriques ne peuvent être mises en mouvement, contrairement à ce qui se passe avec les métaux, qui sont conducteurs. Les semi-conducteurs ont un comportement intermédiaire. Afin qu’ils conduisent, il leur faut un petit apport d’énergie de l’extérieur, par exemple thermique. Dans le cas contraire, ils sont isolants. De ce fait, leur résistance décroît avec une élévation de température, un comportement opposé à celui des métaux, dont la résistance décroît à mesure qu’ils sont refroidis. La résistance électrique qu’offre un métal au passage du courant résulte d’une part des défauts cristallins, d’autre part de l’agitation thermique.

La supraconduction

Malgré tout, certains métaux et alliages métalliques, généralement mauvais conducteurs à température ambiante (plomb, étain, mercure…), offrent une résistance nulle au passage du courant à très basse température, même s’ils ne sont pas exempts de défauts. Lors de leur refroidissement, leur résistance diminue normalement, mais tombe brutalement à zéro en dessous d’une température critique. Ce phénomène de conduction parfaite, découvert en 1911, a été nommé supraconduction. A la température critique, un changement d’état électronique prend place et permet au courant de ne rencontrer aucune résistance, malgré les défauts cristallins. Depuis les années 1950, les physiciens expliquent ce changement d’état par un appariement des électrons : ils se regroupent par deux, formant de nouvelles particules appelées « paires de Cooper », lesquelles circulent sans perte d’énergie, d’où la conduction parfaite.  Ce changement de comportement radical est dû au fait qu’en raison de leur spin demi-entier (+1/2 ou -1/2), les électrons se comportent « comme des billes », ils se percutent et se gênent, tandis que les paires de Cooper possèdent un spin entier (0 ou 1) et se comportent  « comme la lumière »,  elles se traversent sans se gêner.

Facétieuses paires de Cooper

Reste que la physique des supraconducteurs - surtout non métalliques - est loin d’être bien comprise, de même que celle des paires de Cooper. Ainsi, en 2007, on découvre que dans certains matériaux, les paires de Cooper peuvent être piégées, si bien que ces matériaux sont des isolants. La découverte extraordinaire récente vient de révéler que juste au-dessus de leur température critique, certains matériaux offrent une résistance non nulle au passage du courant constitué pourtant… de paires de Cooper !
A présent, on connaît donc les supraconducteurs, mais aussi des isolants et des conducteurs à paires de Cooper. Gageons que la découverte de semi-conducteurs à paires de Cooper arrivera un jour.

Kamil Fadel
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