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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 »

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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

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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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Joseph Fourier
250e anniversaire de la naissance du grand mathématicien français

Joseph Fourier, l'un des plus grands mathématiciens français, est né il y a 250 ans, en 1768, à Auxerre. C'est l'occasion de revenir sur les découvertes de ce génie des mathématiques et de la physique, qui sont aujourd'hui au cœur des technologies utilisées au quotidien. Ce mathématicien très précoce, professeur dès l'âge de seize ans, et plus tard enseignant à l'école Polytechnique, publie donc très tôt de nombreux travaux de recherche. Il a inspiré de nombreux chercheurs et scientifiques, de son époque jusqu'à aujourd'hui. C'est par exemple lui qui encourage Champollion dans ses travaux de déchiffrement des hiéroglyphes égyptiens.

De la chaleur aux séries de Fourier

Fourier s'intéresse très tôt au phénomène physique de propagation de la chaleur, notamment dans son traité « Théorie analytique de la chaleur ». C'est ce qui le pousse à développer des outils mathématiques tels les séries qui portent son nom. Il s'agit de sommes infinies de termes comportant des cosinus et sinus.
Fourier est l'auteur de recherches et de théorèmes sur la convergence de ces séries (c'est-à-dire le cas où ces sommes forment une fonction de x). Ces séries convergent vers des fonctions périodiques, et une technique très utilisée en ingénierie consiste à trouver les coefficients de la série de Fourier de telles fonctions. Fourier est aussi l'auteur d'un outil d'analyse, très utilisé également dans différents domaines de l'ingénierie, qui consiste à associer à une fonction périodique une autre fonction, appelée « transformée de Fourier ».

De nombreuses applications

Les applications des outils développés par Joseph Fourier sont nombreuses, et au cœur des technologies de communication modernes. Par exemple, dans le domaine du traitement du signal, notamment des signaux sonores, comme la voix, pour l'analyser (reconnaissance de la parole par une machine etc.). Mais aussi dans le traitement d'images. L'une des techniques les plus utilisées de cette discipline consiste en effet à appliquer une transformée de Fourier à chaque pixel de l'image (qui peut être approchée par une fonction périodique de la valeur d'intensité des pixels). Cela permet notamment de détecter efficacement les bordures, et donc les différents objets présents sur une image. C'est un outil très précieux pour le traitement d'images destinées à l'intelligence artificielle (véhicules autonomes par exemple), ou encore à l'imagerie numérique (I.R.M, etc.).
Les travaux de Fourier ont de plus inspiré la création de l'algorithme de « transformée de Fourier discrète », au XXe siècle. Cet algorithme est l'un des plus utilisés en compression de données, et particulièrement d'images.
Joseph Fourier est le précurseur de nombreux domaines des sciences développés bien après lui. Il s'intéressait particulièrement aux phénomènes physique liés à la chaleur, en particulier dans l'équilibre général de la Terre. Dès le début du XIXe siècle, il fut même l'un des premiers à pressentir le rôle des gaz dans ce qu'on appelle aujourd'hui l'effet de serre.

Pour en savoir plus :

 

 

Jérôme Robert
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