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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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Des panneaux solaires bifaces
Les cellules photovoltaïques à deux faces permettent d’augmenter le rendement en étant éclairées de part et d’autre.

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 faire tomber la lumière sur un matériau astucieusement conçu. Dans les grandes lignes, un tel matériau est formé par la présence côte à côte d’un semi-conducteur-N et d’un semi-conducteur-P. De quoi s’agit-il ? Un métal possède des électrons libres ou « électrons de conduction » qui en font un conducteur. Au contraire, un isolant n’en possède pas, car tous ses électrons sont engagés dans des liaisons covalentes. On parle « d’électrons de valence ». Entre ces deux extrêmes, il y a les semi-conducteurs dont l’exemple type est le silicium.

Cet élément appartient au groupe IV du tableau périodique et possède ainsi 4 électrons de valence. Il engage donc 4 liaisons avec ses voisins. Un cristal parfait de silicium ne possède donc pas d’électron de conduction. Mais on peut le rendre assez conducteur en remplaçant astucieusement certains atomes de silicium. Ce remplaçant peut être le phosphore, un élément du groupe V. Dans du silicium ainsi « dopé », le cinquième électron de la couche électronique externe du phosphore est en surplus. Ne pouvant s’engager dans aucune liaison avec ses quatre atomes voisins de silicium, il peut devenir libre et participer à la conduction. L’électron étant négatif, on parle de semi-conducteur-N.

On peut aussi doper le silicium avec du Bore, élément du groupe III. Cette fois, il n’y aura pas surplus mais localement un manque d’électron, assimilable à un « trou positif » qui pourra se déplacer comme dans un jeu de taquin et participer à la conduction électrique. C’est un semi-conducteur-P.

Un champ électrique dans le panneau

Une frontière N-P est déséquilibrée, car riche en électrons côté N et en trous côté P. Aussi, un équilibre spontané est atteint par migration d’électrons vers P, et de trous vers N où ils se combinent en ce qui s’appellent des « excitons ». Cela rend P légèrement négatif et N légèrement positif, si bien qu’apparaît un champ électrique E orienté de N vers P. Par effet photoélectrique, la lumière sépare alors les excitons en électrons. Mais en raison de son orientation, E ramène les électrons vers N et les trous vers P, recréant le déséquilibre. Le système retrouve l’équilibre grâce à un circuit extérieur qu’empruntent électrons et trous pour rejoindre P et N respectivement. A la lumière, la jonction PN agit donc comme une pile, appelée photovoltaïque.

Augmenter le rendement : panneaux bifaces

Les panneaux de ce type fonctionnent par leur face orientée vers la lumière. Mais deux chercheurs de l’Université de Purdue (Indiana, USA) viennent de montrer qu’il est possible d’augmenter leur rendement de 15 à 20% avec des panneaux laissant passer la lumière pour récolter l’énergie lumineuse renvoyée par la surface (pierre, végétation…) habituellement à l’ombre, située derrière le panneau. La nouvelle génération de panneaux solaires sera donc biface.

Kamil Fadel
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