Illustration représentant le spin des vecteurs de l’hélium liquide tandis qu’ils forment des demi-vortex quantiques. Crédits : Ella Maru Studios
De nouvelles structures quantiques dans l’hélium-3 superfluide renseignent sur les débuts de l’Univers
Article source : trustmyscience.com
Thomas Boisson
PhysiquePlus les scientifiques veulent étudier les premiers instants de l’Univers, plus les contraintes technologiques et énergétiques sont élevées. Mais il est possible de sonder l’Univers primitif ailleurs que dans les accélérateurs de particules, et en se passant de télescopes. Des scientifiques ont en effet mis en évidence de nouvelles structures quantiques au sein de l’hélium-3 superfluide, mimant certaines structures réputées être apparues à l’issue du Big Bang.
Pour la première fois, des chercheurs ont mis en évidence le phénomène de « murs liés par des cordes » dans l’hélium-3 superfluide. L’existence d’un tel objet, prévu à l’origine par les cosmologistes, peut aider à expliquer comment l’Univers s’est refroidi après le Big Bang. Grâce à la nouvelle possibilité de recréer ces structures en laboratoire, les scientifiques disposent enfin d’un moyen d’étudier de plus près certains des scénarios possibles qui auraient pu se produire dans l’univers primitif.
Les résultats, publiés dans la revue Nature Communications, montrent que deux transitions de phase briseuses de symétrie sont intervenues au laboratoire à basse température de l’Université Aalto (Finlande). Non seulement l’hélium reste fluide aux températures cryogéniques, mais il devient un superfluide à une température suffisamment basse. Un matériau superfluide a essentiellement une viscosité nulle, ce qui signifie qu’il s’écoule indéfiniment, sans perte d’énergie.
Lorsqu’ils sont confinés dans des volumes au sein de structures nanométriques, les chercheurs peuvent utiliser les phases superfluides de l’isotope hélium-3 pour étudier des effets tels que les tourbillons demi-quantiques — des tourbillons dans le superfluide où la quantité d’hélium s’écoulant est strictement contrôlée par les règles de la physique quantique.
« Nous pensions initialement que les vortex demi-quantiques disparaîtraient lorsque nous abaisserions la température. Il s’avère qu’ils sont restés stables même lorsque l’hélium-3 a été refroidit à une température inférieure à -273.149 °C — un mur non-topologique est alors apparu » explique Jere Mäkinen, physicien à l’université Aalto.
Bien que ce ne soient pas des murs physiques, qui bloqueraient l’écoulement de l’hélium-3, les murs non-topologiques modifient les propriétés magnétiques de l’hélium. Les chercheurs ont pu détecter les changements en utilisant la résonance magnétique nucléaire.
Certains cosmologistes pensent qu’au cours des premières microsecondes suivant le Big Bang, tout l’univers aurait connu des transitions de phase, ressemblant à un superfluide dans un volume nano structuré lorsqu’il est refroidi.
Selon les modèles théoriques, les fluctuations quantiques ou les défauts topologiques, tels que les murs de domaine et les tourbillons quantiques dans l’univers ultra-condensé, ont été gelés au cours de l’expansion de l’univers. Avec le temps, ces fluctuations gelées sont devenues les galaxies que nous voyons aujourd’hui.
De plus, la structure de ces défauts semblables aux ouragans, créés par Mäkinen en laboratoire, constitue également un modèle potentiel pour l’étude de l’informatique quantique topologique.
« Alors que l’hélium-3 liquide serait trop difficile et coûteux à maintenir en tant que matériau pour un ordinateur en état de marche, il nous fournit un modèle de travail permettant d’étudier des phénomènes pouvant être utilisés dans des matériaux plus accessibles à l’avenir » conclut-il.
Excitonium : cette nouvelle forme de matière vient d’être confirmée par les physiciens .
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Stéphanie Schmidt
Depuis les années 1970, les scientifiques cherchent à prouver l’existence de cette étrange forme de matière qu’est l’excitonium. Mais à présent, des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont annoncé une nouvelle passionnante : la toute première observation expérimentale de cette nouvelle forme de matière.
Ce matériau est composé d’une particule composite qui pourrait permettre à la matière d’agir comme un superfluide, un supraconducteur ou même comme un cristal électronique isolant. Le professeur de physique Peter Abbamonte et son équipe ont travaillé avec des collègues de l’Illinois, de l’Université de Californie, de Berkeley et de l’Université d’Amsterdam pour prouver une fois pour toutes, l’existence de ce type de matière mystérieuse et théorisée depuis plus de 50 ans.
L’excitoniumest un condensé composé d’excitons (des quasi-particules que l’on peut voir comme une paire électron-trou), qui sont donc ce que vous obtenez lorsque vous combinez des électrons échappés et les « trous » qu’ils ont laissé derrière eux. Cette combinaison mécanique-quantique est possible car, dans les semi-conducteurs, les électrons situés à la limite d’un niveau d’énergie autour d’un atome sont capables, lorsqu’ils sont excités, de sauter au niveau d’énergie suivant, laissant un « trou » au niveau précédent.
Ce trou agit alors comme une particule chargée positivement, attirant l’électron chargé négativement qui s’est échappé.
C’est au cœur d’un dichalcogénure de métal de transition (le diséléniure de titane) que les chercheurs ont pu observer l’existence des excitons pour la toute première fois. L’équipe de chercheurs a même réussi à reproduire les résultats cinq fois, et séparément.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas les outils expérimentaux nécessaires pour distinguer avec certitude s’ils détectaient l’excitonium ou une autre phase similaire de la matière. Cependant, en utilisant une nouvelle technique, l’équipe de recherche a pu mesurer pour la toute première fois et de façon définitive, les excitations collectives des particules bosoniques de basse énergie, des électrons appariés et des trous, quel que soit leur dynamisme.
En d’autres termes, il s’agit de la toute première observation d’une phase de plasmon souple, qui est le précurseur de la condensation d’excitons. « Depuis que le terme « excitonium » a été inventé dans les années 1960 par le physicien théoricien de Harvard, Bert Halperin, , les physiciens ont cherché à démontrer son existence. Les théoriciens ont débattu pour savoir si ce serait un isolant, un conducteur parfait ou un superfluide – avec des arguments convaincants de tous les côtés », explique Abbamonte.
« Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l’existence de l’excitonium, mais leurs résultats ne faisaient pas office de preuve définitive et pouvaient également être expliqués par une transition de phase structurelle classique », a-t-il ajouté.
Maintenant qu’il a été prouvé que l’excitonium existe et a été concrètement observé de manière expérimentale, ses propriétés peuvent être explorées plus en détail et appliquées. Les chercheurs étudient les possibles applications pratiques liées à cette découverte.
En tant que supraconducteur et superfluide, ce matériau pourrait être utilisé pour faire progresser les technologies existantes par exemple. Mais bien entendu, ces applications, en particulier celles qui concernent les technologies pratiques, sont purement spéculatives à ce stade.
Il est encore impossible de prédire exactement ce que l’avenir pourrait réserver à l’excitonium, mais les chercheurs restent convaincus que cette découverte permettra de mettre en lumière certains des mystères de la mécanique quantique.
Si l’impression 3D va vraiment révolutionner la façon dont nous produisons les voitures, les ordinateurs, les armes ou encore les prothèses, le procédé n’en est qu’à ses balbutiements. Pour l’heure limité par le plastique, ce ne sera pas le cas avec ce processus d’impression capable d’expulser du métal liquide.
Les chercheurs de la North Carolina State University se penchent actuellement sur une nouvelle génération d’imprimante absolument révolutionnaire. En effet, faire fondre des brins de plastique pour qu’ils puissent être matérialisés sous une autre forme ne nécessite pas une chaleur réellement impressionnante. En revanche, le métal…
C’est la toute la complexité de cette histoire. Nos scientifiques ont totalement contourné le problème. Au lieu d’imaginer un système de fours brûlants, ils ont créé un alliage métallique capable de passer de l’état solide à l’état liquide à température ambiante, pour ensuite se re-solidifier.
Composé à 75% d’alliage eutectique de gallium et à 25% d’indium, il offre une réaction étonnante à l’air pur. Une mince couche externe d’oxyde de gallium se forme, ce qui permet de le solidifier en surface quasi-instantanément. Quoi de mieux qu’un GIF pour saisir le phénomène de façon pertinente ?
Dingue non ?!
Ce qui est intéressant avec cet alliage, c’est qu’il est souple et permet d’être moulé, en outre il est conducteur et donc particulièrement indiqué dans la création de composants électroniques.
En revanche, le maintien d’une forme spécifique suite à l’impression de ce métal exige la mise en place d’un processus délicat et d’une pression calibrée au pascal près, sans quoi, les formes pourraient s’effondrer, voire exploser. Effectivement, seule la surface est solidifiée. Promptement résumé… ça calme.
A l’heure H, utiliser cette nouvelle technologie pour imprimer un T-1000 ou même un simple trombone est toujours impossible. Toutefois, le potentiel est là !
Mise à jour investigations ufoetscience, le : 10/07/2013 à : 21h50.
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