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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 doit être d’environ 90°C, son volume de 25 mL et afin qu’elle ...

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, ...

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 » des électrons, des photons...

Les fentes de Young
Rappelons la fameuse expérience des fentes de Young, réalisée au tout début du XIXe siècle. La lumière issue d’une source ponctuelle tombe sur un obstacle opaque percé de deux fentes parallèles très fines et très rapprochées. Sur un écran placé derrière on observe non pas deux bandes claires (une en face de chaque fente), mais une série alternée de bandes claires et sombres : des franges d’interférences. On explique ce phénomène en admettant que la lumière passée par l’une des fentes et celle passée par l’autre se recouvrent sur l’écran d’observation et se renforcent (zones claires) ou se contrarient (zones sombres). Si la différence de longueur des deux trajets depuis chacune des fentes jusqu’à un point sur l’écran est un multiple entier de longueur d’onde, les deux lumières se renforcent ; en revanche, si l’écart vaut une demi-longueur d’onde, elles se retranchent, il y a extinction : leur somme donne alors de l’obscurité. Tout cela s’explique sans mystère dans le cadre de la théorie ondulatoire de la physique classique. Mais la mécanique quantique prédit que si la lumière est envoyée sous forme de photons, un à un, les uns après les autres, leur accumulation devrait encore donner des franges sur l’écran d’observation : des bandes parallèles alternativement surpeuplées et sous-peuplées par les points d’impact des photons ! L’expérience confirme ce résultat très étrange.

Des intérférences avec des molécules 
Le même résultat est encore obtenu même si les particules sont des électrons, des atomes, de petites molécules, voire des fullerènes comme cela a été réalisé à la fin des années 1990… Cela signifie qu’à cette échelle, la matière ne se comporte pas comme un grain ordinaire, car l’expérience des fentes de Young réalisée avec des billes ou des grains de sable donne sans surprise juste deux séries de points d’impact, une en face de chaque fente. La question est donc de savoir à partir de quelle dimension le comportement classique laisse sa place à un comportement quantique, interférentiel. Très récemment, deux collaborations internationales ont chacune réalisé une expérience d’interférences avec de très grosses molécules, cependant en employant avec un autre dispositif que des fentes de Young. Le premier groupe (Chine, Autriche, Suisse, Allemagne) a réussi une prouesse puisque leur molécule est composée d’environ 2000 atomes (il s’agit d’une porphyrine), tandis que la seconde équipe (Autriche, Royaume-Uni, Etats-Unis) a expérimenté avec un antibiotique composé de quinze acides aminés, la gramicidine A1. Ces résultats extraordinaires constituent un pas de plus vers des expériences quantiques avec des organismes vivants !

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VKS, l'effet dynamo reproduit en laboratoire
L'expérience de dynamo fluide de la collaboration VKS imite le phénomène de dynamo naturelle, à l'origine des variations des champs magnétiques planétaires et stellaires.

La dynamique du champ magnétique

Le courant électrique que nous utilisons est en grande partie généré par effet dynamo ou en tout cas par des phénomènes similaires. Dans l'Univers, l'effet dynamo joue aussi un rôle clef dans le champ magnétique des planètes et des étoiles. Dans une dynamo solide, l'énergie mécanique du mouvement d'un aimant est convertie en énergie électromagnétique dans la bobine. Dans une dynamo fluide, l'aimant est remplacé par un fluide conducteur dont le mouvement induit un champ magnétique.

En 2007, la collaboration VKS applique cet effet dynamo à du sodium liquide mis en rotation turbulente, d'où son nom d'expérience de dynamo Von-Kármán-Sodium. Dans un cylindre rempli de ce liquide métallique, deux turbines tournent en sens inverse. Lorsque l'on augmente la vitesse de rotation, l'écoulement acquiert toutes les caractéristiques de la turbulence, créant un vortex de liquide, qui génère un champ magnétique. En effet, au-delà d'un certain seuil de turbulence, les variations de champ magnétique au niveau moléculaire se renforcent les unes les autres, créant un champ magnétique à l'échelle macroscopique. En 2017, une équipe a utilisé la géométrie de cette expérience pour réaliser une simulation à haute résolution de cet effet dynamo. Le flux de sodium est modélisé à l'intérieur même du dispositif, non plus seulement au niveau des pales.

Mieux comprendre les champs magnétiques des corps célestes

La plupart des planètes, étoiles et galaxies possèdent un champ magnétique, engendré spontanément par l'effet de dynamo fluide. Dans le cas des dynamos stellaires et planétaires, les écoulements à leur origine sont généralement provoqués par le mouvement d’ensemble de l'astre. L'expérience VKS et ses simulations permettent d'imposer ce type de rotation à un fluide en faisant tourner une turbine plus rapidement que l’autre. Le champ magnétique alors obtenu évolue au cours du temps, avec des renversements erratiques de sa direction, un comportement similaire à ce que l’on sait de l’évolution du champ terrestre au cours des âges.

Certaines caractéristiques de la dynamo d'objets astronomiques à cœur liquide et conducteur peuvent donc être étudiées en laboratoire, dans des situations contrôlées. C'est le cas de la Terre, où le champ magnétique passe d'un état stable à un état présentant des inversions périodiques, tous les cent mille ans environ, le dernier s'étant déroulé il y a sept cent mille ans. En plus de laisser dans les sédiments des traces utiles pour reconstituer le passé géologique de notre planète, les variations du champ magnétique affaiblissent la magnétosphère durant les quelques milliers d'années que dure en moyenne un renversement. Un tel phénomène pourrait exposer nos réseaux de télécommunications aux rayons solaires et cosmiques.

En savoir plus

Étudier sur Terre la génération du champ magnétique à l'intérieur des étoiles et des planètes, sur Le fil Science et Technos, site du CEA

Le champ magnétique de deux aimants, sur Sciences en ligne

Origine du champ magnétique solaire, à propos de la dynamo solaire

La rédaction de Sciences en Ligne
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