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La foudre bat des records

CC BY SA André Karwath aka Aka

Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, ...

Un moteur moléculaire à effet tunnel

Credit: Empa
Un moteur quantique
Comme d’autres moteurs moléculaires de cette échelle, le fonctionnement de ce nanomoteur conçu à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), met en jeu la mécanique quantique. Mais l’originalité de ce nouveau moteur réside dans le fait que la cause-même ...

Photo-ionisation

A photo of the COLTRIMS reaction microscope built by Alexander Hartung as part of his doctoral research in the experiment hall of the Faculty of Physics. Credit: Alexander Hartung.

La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

Image Vedecom - DR

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 est émis avec une énergie moyenne de 50 keV. On parle de « rayonnement bêta » ou « électron bêta ». L’énergie de l’électron peut être mise à profit en étant convertie en électricité dans un semi-conducteur, de la même manière que l’énergie du photon est employée dans les piles photovoltaïques.

Les piles « bêtavoltaïques » ont ainsi vu le jour au cours des années 1970. La source bêta radioactive employée était le prométhium-147 ou Pm-147. Elles ont été surtout utilisées pour alimenter les pacemakers. Mais les piles « lithium-ion » offrant de meilleures performances, notamment avec une meilleure durée de vie, sont venues les supplanter sans leurs défauts. L’inconvénient majeur de ces « bêtapiles » provenait du fait qu’elles contenaient non seulement du Pm-147 mais aussi du Pm-146 émetteur de rayonnement gamma qu’il fallait arrêter. Aussi, l’essentiel du volume de ces piles était occupé par de la matière employée comme écran pour stopper ce rayonnement. Ces piles ont donc disparu du paysage.

Un moyen d’utiliser le carbone 14

L’idée de l’énergie bêtavoltaïque n’a pas été abandonnée pour autant. Elle a d’ailleurs refait surface récemment avec comme objectif d’employer le carbone-14 comme source d’énergie. Pour mémoire, le carbone occupe la sixième case du tableau périodique des éléments et possède donc 6 électrons et 6 protons. L’essentiel du carbone sur Terre possède également 6 neutrons. C’est le Carbone-12 ou 12C. L’isotope naturellement très rare du carbone (1 atome sur 1012) avec 8 neutrons ou 14C est instable, radioactif bêta. Or, les Britanniques possèdent beaucoup de C-14 dont ils ne savent que faire. En effet, la technologie employée dans certaines de leurs centrales nucléaires fait appel au graphite comme modérateur, pour réduire la vitesse des neutrons. Mais ce bombardement neutronique produit d’importantes quantités de C-14. Ce radioisotope serait ainsi recyclé dans des piles d’une nouvelle génération, employées dans certains dispositifs électroniques, notamment à bord de satellites. Mais une source bêta ne suffit pas, il faut aussi un semi-conducteur. Or, le carbone est un semi-conducteur. Par conséquent les piles envisagées sont formées de carbone avec une part de C-14.

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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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