S'inscrire identifiants oubliés ?

Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

Dans le domaine de la recherche, la réalisation des expériences scientifiques requiert souvent de nouveaux instruments, plus perfectionnés, plus sensibles, plus puissants ou tout simplement adaptés à des conditions expérimentales particulières. Ces prototypes de laboratoire sont le fruit ...

Quarks : une combinaison à quatre

Par Ranjithsiji — Travail personnel CC BY-SA 4.0

Le légo des quarks

Contrairement au proton et au neutron, les quarks sont des particules élémentaires, c’est-à-dire des particules qui ne sont pas elles-mêmes constituées d'autres « briques ». L’électron est élémentaire aussi, comme ...

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, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

» lire tous les articles 1 2 3 4 5 6 7 8
sciences en ligne
exploratheque
du premier stage au premier emploi


Un moteur moléculaire à effet tunnel
Le plus petit moteur moléculaire, constitué de 16 atomes, vient d’être mis au point

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 du mouvement est d’origine quantique. Comme dans tout moteur, il est constitué d’un stator (immobile) et d’un rotor (mobile). Ce dernier est une molécule d’acétylène, C2H2. Constituée de quatre atomes alignés, cette molécule possède la forme symétrique d’une haltère. Le stator, quant à lui, est le substrat sur lequel l’acétylène est posée horizontalement, à plat, comme un crayon sur une table : il s’agit d’un cristal de PdGa : douze atomes sont en jeu, dont six de palladium (Pd) et six de gallium (Ga). Afin que ce crayon tourne sur lui-même comme une hélice, il faut lui fournir de l’énergie. Avant de voir comment cela est réalisé, il convient de noter qu’a priori il peut tourner indifféremment dans un sens comme dans l’autre, ce qui serait absurde. En réalité, les deux situations ne sont pas symétriques. La raison ? Comme dans le mécanisme d’une roue à cliquet où la roue crantée peut tourner dans un sens mais reste bloquée par un cliquet pour tourner en sens opposé, le substrat PdGa présente une dissymétrie, il est « chiral » comme une main, non superposable à son image dans un miroir. De ce fait, l’énergie à fournir à la molécule d’acétylène pour la faire tourner est légèrement plus faible pour l'un des deux sens de rotation. A température ambiante, l’énergie d'agitation thermique est trop importante, si bien que le mouvement brownien le fait tourner aléatoirement dans un sens comme dans l’autre plusieurs millions de fois par seconde. Cependant, à basse température, il ne tourne que dans un sens… même si l’énergie fournie thermiquement (ou électriquement) est insuffisante !

Tout s'explique ... et se complique
Cela ne peut s’expliquer que dans le cadre de la physique quantique, grâce à l’effet tunnel, qui attribue une probabilité non nulle de franchissement d’une barrière énergétique, même si le système ne possède pas l’énergie nécessaire au franchissement, au sens de la physique classique. Subsiste un problème : ce moteur semble violer le second principe de la thermodynamique stipulant que l’entropie d’un système isolé ne peut pas diminuer. En effet, le respect de ce principe impliquerait que le moteur tourne dans les deux sens. Selon les chercheurs, l’observation du contraire prouve qu’il y a dissipation d’énergie lors de l’effet tunnel, un résultat important au plan fondamental, car on a toujours considéré que l’effet tunnel ne dissipe pas d’énergie.

Kamil Fadel
Twitter Facebook Google Plus Linkedin email