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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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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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