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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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Les cristaux temporels
Une approche surprenante des réseaux cristallins

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 rigoureuse par opposition à l’état amorphe. Lorsqu’un cristal d’eau apparaît, les physiciens parlent de « brisure spontanée de symétrie », car dans l’eau liquide toutes les directions spatiales se valent, alors qu’après l’évènement, elles ne se valent plus. En 2012, le physicien Franck Wilczek suggère un système qui subirait une brisure de symétrie temporelle conduisant à un… cristal temporel. Il s’agirait d’un système qui se mettrait spontanément à osciller entre deux états avec une périodicité temporelle rigoureuse. Un pendule, dont l’énergie cinétique oscille périodiquement entre zéro - au sommet de sa trajectoire - et sa valeur maximale lorsqu’il passe par la verticale ne constitue pas un cristal temporel, car par définition un tel cristal doit osciller dans son état d’énergie minimale. Bien entendu, ce serait contradictoire que le pendule oscille à vitesse nulle. Cependant, un système dont l’expression mathématique de la dépendance de son énergie à sa vitesse serait telle que le minimum ne corresponde pas à l’immobilité serait préservé de cette contradiction. Habituellement, l’énergie cinétique dépend de la vitesse selon la célèbre formule E = ½.m.v2, mais si cette dépendance prenait la forme E = ¼.m.v4 – ½.m.v2, alors le minimum d’énergie serait atteint non pour v = 0 mais pour v = 1 ou v = -1. Or, la physique quantique nous apprend qu’un mouvement subsiste même à la température du zéro absolu (-273,15°C) : le minimum ne correspond pas à l’immobilité.

La perspective d’une expérience éclairante

En 2016, les physiciens sont parvenus à créer un système qui s’est mis spontanément à osciller entre deux états quantiques avec une périodicité temporelle rigoureuse. Dix atomes d’yttrium ont oscillé tous ensemble, basculant leur spin périodiquement dans le temps : haut, bas, haut, bas… Aux yeux de certains, il ne s’agissait pourtant pas d’un cristal temporel, car l’oscillation exigeait un apport extérieur d’énergie. Pour lever cette objection, une nouvelle expérience mettant en jeu des atomes froids interagissant les uns avec les autres vient d’être imaginée. Reste à la réaliser… En cas de succès, cela permettrait de relier l’espace au temps dans la théorie quantique comme cela est déjà le cas dans la théorie de la relativité. Ce rapprochement permettra peut-être d’y voir plus clair quant à une éventuelle unification des deux théories, une entreprise qui n’a essuyé que des échecs jusqu’à présent. Sur le plan pratique, les cristaux temporels constitueraient d’excellentes horloges et permettraient la réalisation d’ordinateurs quantiques entre autres…

Kamil Fadel
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