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COVID-19, le B-A BA - l'émergence

By Felipe Esquivel Reed - Own work, CC BY-SA 4.0, COVID-19 virion

Une nouvelle épidémie de coronavirus

En décembre 2019, dans la ville chinoise de Wuhan (province de Hubei), apparaissent les premiers cas d'une pneumonie d’allure virale et d’origine alors inconnue. ...

L'histoire urbaine ... dans les égouts

Une carotte servant d'archive

Le projet Golden Spike, réalisé entre 2017 et 2018 à l’ISTO (Institut de la Terre d’Orléans) avec le soutien d’Orléans Métropole et la participation de chercheurs de l’Institut Pierre Simon Laplace (LSCE-IPSL), vise à ...

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, 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.

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Les cristaux temporels
Une approche surprenante des réseaux cristallins

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 rigoureuse par opposition à l’état amorphe. Lorsqu’un cristal d’eau apparaît, les physiciens parlent de « brisure spontanée de symétrie », car dans l’eau liquide toutes les directions spatiales se valent, alors qu’après l’évènement, elles ne se valent plus. En 2012, le physicien Franck Wilczek suggère un système qui subirait une brisure de symétrie temporelle conduisant à un… cristal temporel. Il s’agirait d’un système qui se mettrait spontanément à osciller entre deux états avec une périodicité temporelle rigoureuse. Un pendule, dont l’énergie cinétique oscille périodiquement entre zéro - au sommet de sa trajectoire - et sa valeur maximale lorsqu’il passe par la verticale ne constitue pas un cristal temporel, car par définition un tel cristal doit osciller dans son état d’énergie minimale. Bien entendu, ce serait contradictoire que le pendule oscille à vitesse nulle. Cependant, un système dont l’expression mathématique de la dépendance de son énergie à sa vitesse serait telle que le minimum ne corresponde pas à l’immobilité serait préservé de cette contradiction. Habituellement, l’énergie cinétique dépend de la vitesse selon la célèbre formule E = ½.m.v2, mais si cette dépendance prenait la forme E = ¼.m.v4 – ½.m.v2, alors le minimum d’énergie serait atteint non pour v = 0 mais pour v = 1 ou v = -1. Or, la physique quantique nous apprend qu’un mouvement subsiste même à la température du zéro absolu (-273,15°C) : le minimum ne correspond pas à l’immobilité.

La perspective d’une expérience éclairante

En 2016, les physiciens sont parvenus à créer un système qui s’est mis spontanément à osciller entre deux états quantiques avec une périodicité temporelle rigoureuse. Dix atomes d’yttrium ont oscillé tous ensemble, basculant leur spin périodiquement dans le temps : haut, bas, haut, bas… Aux yeux de certains, il ne s’agissait pourtant pas d’un cristal temporel, car l’oscillation exigeait un apport extérieur d’énergie. Pour lever cette objection, une nouvelle expérience mettant en jeu des atomes froids interagissant les uns avec les autres vient d’être imaginée. Reste à la réaliser… En cas de succès, cela permettrait de relier l’espace au temps dans la théorie quantique comme cela est déjà le cas dans la théorie de la relativité. Ce rapprochement permettra peut-être d’y voir plus clair quant à une éventuelle unification des deux théories, une entreprise qui n’a essuyé que des échecs jusqu’à présent. Sur le plan pratique, les cristaux temporels constitueraient d’excellentes horloges et permettraient la réalisation d’ordinateurs quantiques entre autres…

Kamil Fadel
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