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Aimant au néodyme et verre de spin

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Domaines micrométriques et aimantation
Dans un morceau de fer, il existe des milliards de très petites régions micrométriques appelées « domaines magnétiques » composés de milliards d’atomes de fer pointant leur spin parallèlement, dans le même sens. Chacun de ces domaines est ainsi ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron ...

Une forêt tropicale en Antarctique

Vue d'artiste de cette forêt (C) Alfred-Wegener-Institut, James McKay, Creative Commons licence C-BY 4.0
Un sol bien conservé

Des chercheurs de l'Institut Alfred-Wegener ont découvert un sol forestier du Crétacé très bien préservé dans les fonds marins proches du continent Antarctique. ...

COVID-19 : pistes thérapeutiques

© CDC/Dr. Fred Murphy/Sylvia Whitfield

La crise sanitaire qui touche actuellement le monde entier, avec l'épidémie de COVID-19 a déjà causé des dizaines de milliers de morts dans le monde. Les scientifiques se mobilisent pour contrer le plus rapidement possible le virus dévastateur. Traitements, vaccins, ...

La chimie ultrafroide

Les réactions chimiques, une histoire d’électrons

Lors d’une réaction chimique, des molécules appelées réactifs se rencontrent et forment des produits. Par exemple, lors d’une réaction bimoléculaire, deux réactifs A et B - atomes ou molécules - interagissent pour donner un produit C (ou plusieurs produits). Beaucoup moins fréquentes, il existe aussi des réactions monomoléculaires dans lesquelles une molécule M initiale se scinde en deux, ou bien ses atomes se redistribuent pour donner autre chose que M.

Une réaction chimique met toujours en jeu des électrons. Par exemple, dans une réaction bimoléculaire, A peut arracher un électron à B, ou les molécules peuvent mettre en commun un électron, le partager. De cette manière l’électron n’appartient ni à l’un, ni à l’autre mais aux deux. Cela crée une liaison entre A et B qui les rend « inséparables ». La liaison est alors dite « covalente ».

Souvent, un atome au sein d’une molécule va s’en séparer en défaisant une liaison covalente tout en engageant une nouvelle plus favorable, plus forte avec une autre molécule. Pour illustrer cela, prenons la réaction du dichlore Cl2 avec le dihydrogène H2 qui donne du HCl. L’atome chlore préfère engager une liaison avec un atome d’hydrogène qu’avec un atome de chlore. Il en de même pour l’hydrogène dont la molécule se défait pour se lier au chlore. La chimie est ainsi essentiellement une affaire de liaisons covalentes.

Refroidir pour mieux comprendre

Ces réactions sont partout présentes, de la respiration à la cuisine et à la photosynthèse en passant par toutes les industries chimiques… Comment au juste les liaisons covalentes se font-elles et se défont-elles ? En passant par quelles étapes, via quelles séquences ? Il s’agit là de questions dont les réponses sont mal connues. En effet, les chimistes connaissent bien le début et la fin de l’histoire, mais ce qui se passe entre est loin d’être maîtrisé, car cela ne dure que de l’ordre d’un millionième de milliardième de seconde ou femtoseconde (10-15s).

Pour y voir plus clair, il faut observer une réaction chimique au ralenti, c’est à dire à très basse température puisque la température est le reflet de la vitesse d’agitation atomique ou moléculaire. Cette étape vient d’être franchie par une équipe de l’université de Harvard aux USA et du laboratoire Aimé Cotton de l’université de Paris-sud.

La réaction mettait en jeu deux molécules de potassium rubidium, \( KRb \). La réaction s’écrit : \( 2 KRb \to  K_2 + Rb_2 \). Réalisée à 0,5 microkelvin, soit à peine au-dessus du zéro absolu (- 273,15°C), la durée de la réaction n’est plus la femtoseconde, mais de l’ordre de la microseconde soit un milliard de fois plus longtemps, une durée suffisamment longue qui a permis aux chercheurs d’observer l’état intermédiaire \( K_2Rb_2 \).

La chimie ultrafroide va permettre de mieux comprendre et mieux maîtriser les réactions et provoquer des réactions impossibles à température ambiante.

Publié le 09/04/2020

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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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