La magie quantique des matériaux

par Poulos

Salut à tous ! Petit billet de ma part sur la matière qui nous entoure. Vous ne m'en voudrez pas, ça sera sans rentrer dans des grands délires théoriques de physique, ça je ne sais pas faire. L'idée m'est venue simplement de parler du « pourquoi s'intéresse-t-on aux matériaux, aux objets faits d'une matière en particulier et qui habillent autant notre quotidien puisqu'ils sont indispensables » ? Pourquoi essaye-t-on de les comprendre au niveau microscopique c'est-à-dire au niveau de l'atome ? A quoi ça sert qu'on mette de l'argent dans la recherche fondamentale pour ça ?

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Tout d'abord, revenons aux bases. Les Matériaux est-ce qu'on en a besoin ? Oui. Pour construire des baraques, immeubles, des ponts, des ordinateurs, des télés etc… Est-ce que c'est un besoin vital ? Heu oui sans doute. Si l'on remonte jusqu'à la préhistoire, les humains en avaient besoin pour faire du feu, chasser, s'abriter et aujourd'hui, ça n'a pas vraiment changé… Pourquoi sommes-nous si proches de la matière étant nous-même des êtres d'esprit ? Pourquoi la vieille dinde avait un Banjo ? Heum … on va s'arrêter là !

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Bref en tous les cas, si l'on me demande s'il existe un point commun entre le développement humain et les matériaux ? Oui, je pense qu'il y en a un. Les matériaux ont complétement l'air d'être couplés à la vie des êtres humains, dès les premiers âges de l'histoire. Une période entière de la civilisation est assimilée à un matériau. On parle de l'âge du bronze, l'âge du fer, l'âge de pierre… et aujourd'hui ? L'âge du silicium. La découverte, et l'utilisation de matériaux nouveaux au cours des âges nous ont donné les moyens de bâtir et de construire des villes, de façonner des objets d'utilité et peut être aujourd'hui relayés au rang d'objets de collection… Quoiqu'il en soit, la découverte d'un tel ou tel métal ou autre matériau aux propriétés géniales conditionnent complétement notre mode de vie et l'évolution de notre société.

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Le silicium dans toute notre électronique


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La loi de Moore

Depuis les années 50 la civilisation est emprise sous le signe du silicium. Il n'y a qu'à regarder, fouiller dans sa poche ou sur n'importe quel bureau pour en être convaincu. La loi de Moore est cette loi qui prédit que la capacité de calcul des processeurs fabriqués par les ingénieurs double tous les 18 mois. Elle est un bon exemple d'une compréhension fine et d'une croyance dans le progrès technique devenu maintenant technologique. Ce progrès se réalise sans cesse. Pour s'en rendre compte, il n'y a qu'à regarder l'accroissement incroyable des puissances de calcul et donc de la vitesse de nos PC, de nos smartphones, leur taille aussi, leur dimension. Pour en être arrivé à ce point dans l'histoire de notre civilisation, il a fallu tenter de percer les secrets de ces matériaux pour lesquels on soupçonnait des propriétés de conduction, d'optique ou de magnétisme extraordinaires capables de stocker, quantifier, traiter et transporter l'information. Eclairer. Faire vivre.

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Les chercheurs physiciens du début du 20ème siècle ont joué un rôle fondamental. Sans eux ? Sans une recherche fondamentale fondée sur plein d'équations de la physique quantique, d'hypothèses et d'expériences, il n'y aurait rien. Rien de rien. Peut-être serait-on encore à l'âge de fer qui sait…Cette physique qui étudie « les formes organisées de la matière » à savoir les matériaux, porte le doux nom de « physique de la matière condensée » (bon je vous l'accorde c'est pas très beau). On dit aussi physique du solide. C'est à ne pas confondre avec la mécanique des solides. Cette dernière décrit le comportement mécanique des objets entre eux. C'est très très utile pour les ingénieurs dans l'industrie qui modélisent le comportement des pièces mécaniques afin d'améliorer ou faire de futures machines par exemple.

Les physiciens du solide, leur dada, eux, ce sont les briques élémentaires du matériau, les atomes et les électrons. Comprendre comment tout cela s'agence, comprendre comment la mécanique s'opère pour conduire l'électricité, réfléchir ou diffuser la lumière comme on le souhaite, encoder et transporter l'information.

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Des physiciens du solide, aujourd'hui il y en a plein. On estime qu'environ 1 chercheur en physique sur 2 étudie de près ou de loin dans ce domaine. Pour ces chercheurs, l'objectif n'est pas d'aller trouver une nouvelle particule, une nouvelle symétrie ou une nouvelle force. C'est un point de vue totalement différent de cette physique qui se fait au Grand Collisionneur de Genève, le LHC. Non pour eux, l'objectif est de passer plutôt de l'échelle élémentaire au niveau de l'atome (c'est déjà pas mal et c'est suffisant) vers les « formes organisées de la matière », c'est-à-dire vers les configurations particulières des atomes les uns par rapport aux autres. Comprendre les mécanismes qui permettent ce passage. Et aller plus haut en taille. Toujours plus loin, toujours plus haut, toujours plus fort !

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Le terrain de jeu de ces physiciens du solide, c'est bien sûr le tableau périodique des éléments. Ha ! Le fameux Tableau de Mendeleïev ! Ce n'est pas chacun des éléments isolés les uns les autres qui vont intéresser les physiciens. Mais plutôt certains éléments pris un par un et imbriqués ensembles exactement comme des LEGO qui vont permettre de construire des édifices, par exemple un réseau cristallin d'atomes dans une forme particulière, cubique, hexagonale…Et ce sont les propriétés de ces édifices à notre échelle, l'échelle dite «macroscopique » des objets que l'on peut voir à l'œil nu qui intéressent les physiciens plus que tout et peut être plus tard, dans les années à venir, en tirer des applications.

L'objectif ? Utiliser les connaissances sur les lois de la physique qui régissent le comportement des atomes et des électrons entre eux et en interaction constituant l'édifice afin d'en comprendre les propriétés et pouvoir en tirer des conclusions. Cette échelle atomique, c'est ce qu'on peut appeler l'échelle « microscopique ». C'est la dimension des objets beaucoup trop petits pour notre œil. Un mètre divisé 10 milliards de fois !

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Les atomes forment un réseau


Prenons l'exemple de l'atome de carbone. Lorsqu'on met beaucoup d'atomes de carbones ensembles, on peut créer des édifices très divers. Le diamant d'un côté et le graphite de l'autre. Ils ont beau avoir exactement la même composition chimique,c'est la façon dont sont ordonnés les atomes qui leur donne des propriétés complétement différentes. Le diamant est un matériau dur, transparent et isolant alors que le graphite est fragile, noir et est quasiment un bon conducteur !

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Un diamant. Les atomes de carbone sont agencés en structure de tétraèdre



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Le graphite de nos mines de crayons de papier : atomes de carbone en structure hexagonale de feuillet les uns disposés au-dessus des autres.


Un autre exemple encore plus frappant et remarquable est celui d'une classe de matériaux à base d'oxyde de cuivre. C'est l'exemple qui me fait le plus rêver. C'est le cœur de ce que je voulais vous parler. Celui qui me motive à faire de la physique. Ces matériaux répondant au doux nom de « Cuprates » qui montrent de « la supraconductivité à haute température critique ».

En 1986, à la surprise générale, deux chercheurs de chez IBM synthétisent un nouveau matériau à base d'atomes de cuivre et d'oxygène. Ils se rendent compte lors de leurs mesures, qu'en dessous d'une certaine température (autour de celle de l'azote liquide et croyez moi c'est déjà une « haute température »), que ces matériaux conduisent du courant électrique SANS opposer une seule résistance ! C'est-à-dire qu'il n'y a aucune dissipation de chaleur alors que l'électricité passe. Par exemple, dans votre ampoule électrique, il y a un courant assez fort qui passe dans le petit filament. Ce filament se met à chauffer beaucoup et émet de la lumière, c'est l'effet de la résistance qui est à l'origine de cela.

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En dessous de la température critique, les électrons forment une onde géante qui ne « voient » plus les impuretés du matériaux, il n'y a plus de résistance.


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Un matériau supraconducteur en lévitation (par effet Meissner) en dessous de la fameuse température critique qu'est la température de l'azote liquide.


Ces chercheurs Bednorz et Müller ont obtenu le prix Nobel l'année suivante. Aujourd'hui on est heureux de pouvoir utiliser ces matériaux dans des détecteurs IRM qui nous donnent des images incroyablement précises de l'intérieur de notre corps. Dans ces mêmes IRM, l'énorme cylindre qui constitue « le tunnel » est en fait un bobinage d'un matériau supraconducteur chargé une bonne fois pour toute en usine, le courant étant permanent et permettant de créer des champs magnétiques très intenses. On envisage de faire fonctionner des moteurs à base de ces supraconducteurs, d'utiliser les propriétés magnétiques pour faire léviter les trains…

Cependant, l'origine de la supraconductivité pour ces « nouveaux supraconducteurs » (les Cuprates) n'est pas encore élucidée d'un point de vue microscopique. Si l'on parvenait un jour à comprendre la supraconductivité à haute température critique alors des nouveaux matériaux supra à température ambiante ( !!!) pourraient voir le jour. C'est le Graal de la physique depuis 1987. On y remplacerait tous nos câbles électriques, notre électronique, fini le problème de l'énergie. On pourrait imaginer faire des semelles supraconductrices ou faire comme Marty avec de vrais hoverboard ! ça serait ce qu'on appelle communément, un truc de ouf.

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En revanche, concernant les supraconducteurs basiques comme par exemple l'aluminium, le mercure, le plomb, l'étain… (Qu'il faut refroidir à des températures encore beaucoup beaucoup plus basses que l'azote liquide), sont eux très bien compris au niveau de l'atome. A partir d'une théorie microscopique sur la physique du transport des électrons et leurs interactions avec leur environnement atomique, les physiciens ont montré l'émergence de ce phénomène surprenant qui apparait à l'œil nu.

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Train japonais à lévitation magnétique


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L'énorme « cylindre » dans les IRM est fait d'un matériau supraconducteur refroidi à la température de l'hélium liquide et chargé en électricité une bonne fois en usine.


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Le LHC à Genève utilise des aimants supra.


L'idée qui était avant tout de l'ordre du rêve au fondement de la physique depuis les grecs anciens (Démocrite…) : Comprendre comment passer du « microscopique » au « macroscopique » est devenue progressivement réalité. Cependant, plein de problèmes dont celui cité plus haut restent encore à être élucidés et sont malheureusement beaucoup trop compliqués à calculer avec la puissance des ordinateurs actuels.

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Richard Feynman (1918-1988) : L'un des plus grands physiciens, prix Nobel en 1965


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Je vous invite à regarder l'article « Les atomes froids : une physique sexy » . J'y décris brièvement l'émergence de ce domaine (très d'actualité) de la physique. On y souhaite reproduire expérimentalement avec des lasers et des atomes, les édifices cristallins que j'ai décrits plus haut. On peut, grâce à ces systèmes, contrôler et faire varier tout plein de paramètres à notre guise contrôlant la position et le mouvement des atomes. L'idée fondamentale proposée par le physicien de génie Richard Feynman en 1982 est de simuler des électrons qui se baladent dans un cristal afin d'observer, directement avec « une caméra », leur mouvement individuel, leur dynamique et comment ils s'agencent collectivement !

Le rêve serait par exemple d'y observer la fameuse supraconductivité à haute température des oxydes de cuivre dont j'ai parlé pourvue qu'on simule correctement avec nos lasers et nos atomes l'organisation des structures dans ces matériaux. On n'y est pas encore mais on progresse. C'est pour bientôt et ça sera encore une révolution. Pour les plus intéressés d'entre vous, il faut aller voir cette courte vidéo youtube https://www.youtube.com/watch?v=yuhTAU35yVg de Jean Dalibard, notre maitre à tous

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Réseau d'atomes refroidis et piégés par des faisceaux Laser. La structure est similaire à celle dans les matériaux !


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Nuage d'atomes froids


L'idée de la simulation quantique par les atomes froids est une alternative géniale à la simulation numérique car on a une action directe sur la physique qui se passe au niveau microscopique. On observe. On constate ce qui se passe. On gagne des informations qui peuvent aider à construire une théorie qui tiendrait la route. Mais est-ce qu'on pourra formuler un jour LA fameuse théorie microscopique sur les atomes et les électrons qui permettrait d'expliquer la supraconductivité à haute température ? Ce phénomène qui apparait du milliardième de mètre jusqu'au centimètre ? De l'atome jusqu'à notre œil ? Du microscopique au macroscopique ? Tout le monde le pense mais personne ne le sait, sauf… Denver !

Allez à la prochaine.

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Poulos