10 états inhabituels de la matière

La plupart des gens peuvent facilement nommer les trois états de la matière classiques: liquide, solide et gazeux. Ceux qui ont suivi un peu plus de cours de sciences ajouteront du plasma à cette liste. Mais au fil des ans, les scientifiques ont élargi notre liste d’états possibles de la matière bien au-delà des quatre grands. Au cours de ce processus, nous avons beaucoup appris sur le Big Bang, les sabres laser et un état secret de la matière caché dans l’humble poulet.

10 matières solides amorphes

Les solides amorphes constituent un sous-groupe intrigant de l'état solide bien connu. Dans un objet solide normal, les molécules sont très organisées et ne peuvent pas se déplacer très librement. Cela donne aux matières solides une haute viscosité, ce qui est une mesure de la résistance à l'écoulement. Les liquides, quant à eux, ont une structure moléculaire désorganisée, leur permettant de s’écouler les uns sur les autres, de s’éclabousser et de prendre la forme du récipient dans lequel ils sont retenus. Un solide amorphe existe à mi-chemin entre ces deux états de la matière. Dans un processus appelé vitrification, un liquide refroidit et sa viscosité augmente au point qu'il ne coule plus comme un liquide, mais que ses molécules restent désordonnées et ne forment pas une structure cristallisée comme un solide normal.

L’exemple le plus courant de solide amorphe est le verre. Pendant des milliers d'années, les gens ont fabriqué du verre avec de la silice. Lorsque les verriers refroidissent la silice de son état liquide, elle ne se solidifie pas lorsqu'elle passe en dessous du point de fusion. Au fur et à mesure que la température diminue, la viscosité augmente, ce qui la rend solide. Cependant, les molécules conservent toujours leur structure désorganisée. À ce stade, le verre devient un solide amorphe. Ce processus de transition a permis aux artisans de créer de magnifiques sculptures de verre surréalistes.

Alors, quelle est la différence fonctionnelle entre un solide amorphe et un solide normal? Dans la vie quotidienne, pas grand chose. Le verre semble complètement solide jusqu'à ce que vous le regardiez au niveau moléculaire. Et ne soyez pas pris au piège du mythe selon lequel le verre coule comme un liquide sur de longues périodes. Les guides paresseux aiment perpétuer ce mythe en exhibant le vieux verre dans les églises, qui ont souvent l’air plus épais vers le bas, mais c’est en fait à cause des imperfections du processus de fabrication du verre, qui donnent un verre irrégulier, qui a été naturellement placé dans la fenêtre avec le côté plus épais. sur le bas. Cependant, même s’il n’est peut-être pas très intéressant à regarder, l’étude de solides amorphes comme le verre a permis aux chercheurs de mieux comprendre les transitions de phase et la structure moléculaire.

9 fluides supercritiques

La plupart des transitions de phase se produisent sous certains paramètres de température et de pression. Tout le monde sait qu'une augmentation de la température finira par transformer un liquide en gaz. Cependant, lorsque la pression augmente avec la température, le liquide fait plutôt le saut dans le domaine des fluides supercritiques, qui possèdent les propriétés à la fois d'un gaz et d'un liquide.

Par exemple, les fluides supercritiques sont capables de traverser des solides comme un gaz, mais peuvent également jouer le rôle de solvant comme un liquide. Il est intéressant de noter qu’un fluide supercritique peut être réglé de manière à ressembler davantage à un gaz ou à un liquide en fonction de la combinaison de pression et de température. Cela a permis aux scientifiques de proposer diverses applications des fluides supercritiques, allant de l'extrême au banal.

Bien que les fluides supercritiques ne soient pas aussi communs que les solides amorphes, vous finissez probablement toujours par interagir avec eux presque aussi souvent que vous interagissez avec du verre. Le dioxyde de carbone supercritique a gagné en popularité auprès des entreprises brassicoles pour sa capacité à agir comme solvant dans l'extraction du houblon, tandis que les entreprises productrices de café l'utilisent pour produire un meilleur café décaféiné. Les fluides supercritiques ont également été utilisés pour créer une hydrolyse plus efficace et permettre aux centrales de fonctionner à des températures plus élevées. Pour un état de choses dont personne n'a entendu parler, vous utilisez probablement des sous-produits de fluides supercritiques chaque jour.

8Dégénérer la matière

Bien que des solides amorphes apparaissent au moins sur la planète Terre, la matière dégénérée n'existe que dans certains types d'étoiles. La matière dégénérée existe lorsque la pression extérieure de la matière n'est pas dictée par la température, comme sur Terre, mais par des principes quantiques complexes, généralement le principe d'exclusion de Pauli (plus d'informations à ce sujet dans un instant). De ce fait, la pression extérieure de matière dégénérée persisterait même si la température de la matière tombait à zéro absolu. Les deux principaux types de matière dégénérée sont connus sous le nom de matière dégénérée d'électrons et de matière dégénérée de neutrons.

La matière dégénérée en électrons existe principalement dans les étoiles naines blanches. La matière se forme dans le noyau de l'étoile lorsque son poids tente de comprimer les électrons du noyau à l'état d'énergie la plus basse. Cependant, selon le principe d'exclusion de Pauli, deux particules de ce type ne peuvent occuper le même état énergétique. Ainsi, les particules «repoussent» le matériau autour du noyau, créant une pression externe en raison des lois quantiques dictant que tous les électrons du noyau ne peuvent pas exister à l'état d'énergie plus faible. Cela ne peut persister que si la masse de l'étoile est inférieure à 1,44 fois la masse de notre Soleil. Quand une étoile est au dessus de cette limite (connue sous le nom de limite de Chandrasekhar), elle s'effondrera simplement en une étoile à neutrons ou un trou noir.

Lorsqu'une étoile s'effondre pour devenir une étoile à neutrons, elle ne contient plus de matière dégénérée en électrons, mais consiste maintenant en une matière dégénérative de neutrons. Une étoile à neutrons étant très lourde, les électrons se fusionnent avec les protons du noyau, créant ainsi des neutrons. Les neutrons libres (les neutrons non liés dans un noyau atomique) ont généralement une demi-vie de 10,3 minutes. Mais au coeur d’une étoile à neutrons, la masse de l’étoile permet aux neutrons d’exister en dehors d’un noyau, formant une matière dégénérative des neutrons.

D'autres formes exotiques de matière dégénérée peuvent exister, y compris d'étranges matières, pouvant exister sous une forme rare d'étoile appelée étoile à quarks. Les étoiles à quarks sont l'étape entre une étoile à neutrons et un trou noir, où les quarks du noyau se découplent et créent une soupe de quarks libres. Nous n'avons pas encore observé ce type d'étoile, mais les physiciens continuent à théoriser leur existence.

7Superfluide

Revenons sur Terre pour discuter du superfluide. Un superfluide est un état de la matière qui existe lorsque certains isotopes de l'hélium, du rubidium et du lithium sont refroidis à un zéro presque absolu. Ceci est similaire à un condensat de Bose-Einstein (BEC), mais il existe de légères différences. Certains condensats de Bose-Einstein sont des superfluides et certains superfluides sont des condensats de Bose-Einstein, mais toutes les classes ne correspondent pas à la classe.

Le superfluide le plus courant est l'hélium liquide. Lorsque l'hélium est refroidi au «point lambda» de 2,17 degrés Kelvin, une partie du liquide devient un superfluide. Lorsque la plupart des substances sont refroidies jusqu'à un certain point, l'attraction entre les atomes surmontera les vibrations thermiques de la substance, permettant ainsi à la substance de former une structure solide. Mais les atomes d'hélium interagissent si faiblement qu'ils peuvent rester liquides jusqu'au zéro absolu. En fait, à cette température, les caractéristiques des atomes individuels se chevauchent, créant les propriétés étranges des superfluides.

Pour commencer, un superfluide n'a pas de viscosité interne. Les fluides superficiels placés dans un tube à essai commenceront à remonter sur les côtés du tube, violant apparemment les lois de la gravité et de la tension superficielle. L'hélium liquide fuit très facilement car il peut fuir par n'importe quel trou microscopique. Les superfluides présentent également des propriétés thermodynamiques étranges. Ils ont une entropie thermodynamique nulle et sont infiniment conducteurs thermiquement. Cela signifie que deux superfluides ne peuvent pas avoir de différentiel thermique. Si de la chaleur est introduite dans un superfluide, elle conduira si rapidement que des ondes thermiques sont créées, une propriété qui n'existe pas pour les liquides normaux.

6Ben-condensat d'Einstein

Les condensats de Bose-Einstein sont probablement l'une des formes de matière obscure les plus célèbres, mais aussi l'une des plus difficiles à comprendre. Premièrement, nous devons comprendre ce que sont les bosons et les fermions. Un fermion est une particule avec un spin semi-entier (comme un électron) ou une particule composite (comme un proton). Ces particules obéissent au principe d'exclusion de Pauli qui fait fonctionner la matière dégénérée en électrons. Un boson, cependant, a un spin entier entier et plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique. Les bosons comprennent toutes les particules (telles que les photons) qui portent la force, ainsi que certains atomes, notamment l'hélium 4 de notre ami et d'autres gaz. Les éléments de cette catégorie sont connus sous le nom d'atomes bosoniques.

Dans les années 1920, Albert Einstein utilisa les travaux du physicien indien Satyendra Nath Bose pour proposer une nouvelle forme de matière. La théorie originale d'Einstein était que, si vous refroidissiez certains gaz élémentaires à une fraction d'un Kelvin au-dessus du zéro absolu, leurs fonctions d'onde s'uniraient pour créer un «superatom». Une telle substance aurait des effets quantiques à un niveau macroscopique. Mais ce n’est que dans les années 90 que la technologie a été mise en place pour refroidir suffisamment les éléments à la température requise. En 1995, les chercheurs Eric Cornell et Carl Wieman ont réussi à fusionner 2 000 atomes dans un condensat de Bose-Einstein, suffisamment gros pour être visualisé au microscope.

Les condensats de Bose-Einstein sont étroitement liés aux superfluides mais possèdent leur propre ensemble de propriétés unique. Le plus choquant est qu'un BEC puisse ralentir sa lumière à partir de sa vitesse normale de 300 000 mètres par seconde. En 1998, Lene Hau, chercheuse à Harvard, a été capable de ralentir la lumière à 60 km / h en projetant un laser à travers un échantillon de BEC en forme de cigare. Lors d'expériences ultérieures, l'équipe de Hau a pu arrêter complètement la lumière dans un BEC en éteignant le laser lorsqu'il passait dans l'échantillon. Ces expériences ont ouvert de nouveaux domaines de la communication par la lumière et de l'informatique quantique.

5Jahn-Teller Metals

Les métaux Jahn-Teller sont le dernier né des États de la matière. Les chercheurs ne les ont créés avec succès que pour la première fois en 2015. S'ils sont confirmés par d'autres laboratoires, l'expérience pourrait changer le monde tel que nous le connaissons, puisque les métaux Jahn-Teller avoir des propriétés à la fois d'isolant et de supraconducteur.

Des chercheurs dirigés par le chimiste Kosmas Prassides ont expérimenté en prenant des molécules de carbone 60 (buckyballs) et en insérant du rubidium dans la structure, ce qui a forcé les molécules de carbone 60 à prendre une nouvelle forme. Le métal tire son nom de l'effet Jahn-Teller, qui décrit comment la pression peut modifier la forme géométrique des molécules en de nouvelles configurations électroniques. En chimie, la pression est obtenue non seulement en comprimant quelque chose, mais également en ajoutant de nouveaux atomes ou molécules à une structure préexistante, modifiant ainsi ses propriétés fondamentales.

Lorsque l'équipe de recherche de Prassides a commencé à insérer du rubidium dans les molécules de carbone 60, celles-ci sont passées d'un isolant à un supraconducteur. Cependant, en raison de l’effet Jahn-Teller, les molécules ont essayé de rester dans leur ancienne configuration, ce qui a créé une substance qui semble être un isolant mais qui possède les propriétés électriques d’un supraconducteur. La transition entre un isolant et un supraconducteur n'avait jamais été vue jusqu'à ce que ces expériences se produisent.

Ce qui est vraiment intéressant avec les métaux Jahn-Teller, c’est qu’ils deviennent un supraconducteur à des températures élevées (-135 degrés Celsius, par opposition à -243,2 degrés Celsius). Cela les rapproche des niveaux gérables pour la production de masse et l'expérimentation.Si les affirmations sont correctes, nous sommes beaucoup plus proches de la production en masse de matériaux qui conduisent l’électricité sans résistance, ne produisant pas de chaleur, de son ni d’émission d’énergie, révolutionnant ainsi la production et le transport de l’énergie.

4Photonic Matter

Pendant des décennies, l'idée traditionnelle derrière les photons était qu'il s'agissait de particules sans masse qui n'interagissaient pas. Cependant, au cours des dernières années, les chercheurs du MIT et de Harvard ont découvert de nouveaux moyens de faire de la lumière une masse et ont même créé des «molécules de lumière» qui se rebondissent et se lient les unes aux autres. Si cela semble ennuyeux, considérez que c'est essentiellement la première étape pour créer un sabre laser.

La science derrière la matière photonique est un peu complexe, mais tenez-vous-en à cela. (Rappelles toi, sabres laser.) Les chercheurs ont commencé à créer de la matière photonique par le biais d’expériences avec du rubidium gaz en surfusion. Lorsqu'un photon est tiré à travers le gaz, il dévie et interagit avec les molécules de rubidium, perdant de l'énergie et ralentissant. Finalement, le photon émerge du nuage de gaz considérablement ralenti mais son identité est intacte.

Les choses commencent à devenir étranges lorsque vous tirez deux photons à travers le gaz, ce qui provoque un phénomène connu sous le nom de blocus de Rydberg. Lorsqu'un atome est excité par un photon, les atomes voisins ne peuvent pas être excités au même degré. Essentiellement, l'atome excité se met en travers des photons. Pour qu'un atome environnant soit excité par le second photon, le premier photon doit avancer dans le gaz. Les photons n'interagissent généralement pas les uns avec les autres, mais lorsqu'ils sont confrontés à un blocus de Rydberg, ils se poussent mutuellement dans le gaz, échangeant de l'énergie et interagissant les uns avec les autres tout au long du chemin. D'un point de vue extérieur, ces photons semblent avoir une masse et agir comme une seule molécule, même s'ils sont toujours sans masse. Lorsque les photons émergent du gaz, ils semblent être reliés entre eux, comme dans une molécule de lumière qui peut être déviée et moulée.

Les applications pratiques de la matière photonique sont encore lointaines, mais le chercheur Mikhail Lukin a déjà une liste d'utilisations possibles, allant de l'informatique à la création de cristaux 3D totalement à l'abri de la lumière et, oui, à la fabrication de sabres laser.

Hyperuniformité 3Dordonnée

En essayant de décider si une substance est un nouvel état de la matière, les scientifiques se penchent sur la structure de la substance ainsi que sur ses propriétés. En 2003, Salvatore Torquato et Frank H. Stillinger de l’Université de Princeton ont proposé un nouvel état de la matière appelé hyperuniformité désordonnée. Bien que cela puisse sembler un oxymore, l’idée était que le nouveau type de matière semblerait désordonné s’il était examiné de près, mais hyperuniforme et structuré sur une longue distance. Une telle matière aurait les propriétés à la fois d'un cristal et d'un liquide. Au début, cela semblait ne se produire que dans de simples plasmas et dans notre hydrogène liquide, mais récemment, des chercheurs ont trouvé un exemple naturel dans des endroits insondables: un œil de poule.

Les poulets ont cinq cônes dans les yeux. Quatre détectent les couleurs et un détecte les niveaux de lumière. Cependant, contrairement à l'œil humain ou aux yeux hexagonaux des insectes, ces cônes semblent être dispersés au hasard, sans véritable ordre. Cela se produit parce que les cônes dans l'oeil du poulet ont une zone d'exclusion qui ne permet pas à deux cônes du même type de s'asseoir l'un à côté de l'autre. En raison de la zone d’exclusion et de la forme des cônes, ils ne peuvent pas former de structure cristalline ordonnée (comme celle que nous trouvons dans les solides), mais lorsque tous les cônes sont considérés comme un tout, il s’avère qu’ils ont une motif, comme on peut le voir sur ces images de Princeton. Ainsi, nous pouvons décrire les cônes dans l'oeil d'un poulet comme étant un liquide vu de près et un solide vu de loin. Ceci diffère des solides amorphes mentionnés ci-dessus en ce qu'un matériau hyperuniforme agira comme un liquide, contrairement à un solide amorphe.

Les scientifiques étudient encore ce nouvel état de la matière, qui pourrait même être plus courant qu'on ne le pensait à l'origine. À l'heure actuelle, les chercheurs de Princeton étudient la possibilité d'utiliser des matériaux hyperuniformes pour créer des structures auto-arrangantes et des détecteurs de lumière adaptés à des longueurs d'onde très spécifiques.

2String-Net Liquid

Quel état de la matière est le vide de l'espace? La plupart des gens n'ont pas beaucoup réfléchi à cette question, mais au cours des dix dernières années, Xiao-Gang Wen du MIT et Michael Levin de Harvard ont proposé un nouvel état de la matière qui pourrait être la clé de la découverte de particules fondamentales au-delà de l'électron.

La voie vers le développement du modèle liquide string-net a commencé au milieu des années 90, lorsqu'une équipe de scientifiques a proposé ce qu'ils appelaient des «quasi-particules», ce qui semblait se produire dans une expérience où des électrons passaient entre deux semi-conducteurs. Cela a fait beaucoup de bruit, car les quasi-particules agissaient comme si elles avaient une charge fractionnelle, ce que la physique à l'époque jugeait impossible. L'équipe a pris ces données et a proposé que l'électron ne soit pas une particule fondamentale de l'univers et qu'il y ait plus de particules fondamentales que nous n'avions pas encore découvertes. Leur travail leur a valu le prix Nobel, mais il a été découvert par la suite que leurs résultats avaient été causés par une erreur dans l'expérience. L'idée d'une «quasi-particule» a disparu.

Mais certains chercheurs ne l'ont pas totalement abandonné. Wen et Levin se sont penchés sur les «quasi-particules» et ont proposé un nouvel état de la matière connu sous le nom de filet à cordes. Cet état de la matière aurait pour principe l’intrication quantique. Tout comme l'hyperuniformité en désordre, si vous examinez de près un réseau de cordes, il semblerait qu'il y ait un ensemble d'électrons désordonné.Cependant, si l’on regarde l’ensemble de la structure, on s’aperçoit qu’elle était hautement ordonnée en raison des propriétés d’intrication quantique des électrons. Wen et Levin ont ensuite étendu leurs travaux pour englober d'autres propriétés de particules et d'enchevêtrement.

Lorsque des modèles informatiques ont été exploités sur le nouvel état de la matière, Wen et Levin ont constaté que la fin d'un réseau de cordes pouvait produire les différentes particules subatomiques que nous avons appris à aimer, y compris la légendaire «quasi-particule». Encore plus choquant Ils ont découvert que lorsque les filets à cordes vibraient, ils le faisaient conformément aux équations de Maxwell, qui régissent la lumière. Dans leurs documents, Wen et Levin ont proposé que l'espace soit rempli de réseaux de chaînes de particules subatomiques enchevêtrées et que les extrémités de ces "chaînes" soient les particules subatomiques que nous voyons. Ils ont également proposé que ce liquide fil-string soit la cause de la lumière. Si le vide de l'espace était rempli de liquide de fil à cordes, cela nous permettrait d'unifier la matière et la lumière.

Tout cela peut sembler très tiré par les cheveux, mais en 1972 (des décennies avant la proposition du filet à cordes), des géologues ont découvert au Chili un étrange minéral appelé herbertsmithite. Dans le minéral, les électrons forment des structures triangulaires, ce qui semble contredire ce que nous savons sur la manière dont les électrons interagissent les uns avec les autres. Cependant, cette structure triangulaire est prédite par le modèle string-net et les chercheurs ont travaillé avec de l'herbertsmithite artificiel pour tenter de prouver la précision du modèle. Malheureusement, le jury n’a toujours pas déterminé si cet état de fait théorique existait réellement.

Plasma 1Quark-Gluon

Pour notre dernier état obscur de la matière, revenons à l'état de la matière sous lequel nous avons tous commencé: plasma quark-gluon. En fait, l'univers primitif était un état de matière complètement différent de nos états classiques. Mais d'abord un peu de fond.

Les quarks sont les particules élémentaires que l'on trouve à l'intérieur des hadrons (tels que les protons et les neutrons). Les hadrons sont composés de trois quarks ou d’un quark et d’un anti-quark. Les quarks ont des charges fractionnaires et sont maintenus ensemble par des gluons, qui sont la particule d'échange de la force nucléaire puissante.

Nous ne voyons pas de quarks libres dans la nature, mais juste après le Big Bang, des quarks et des gluons gratuits ont existé pendant une milliseconde. Pendant ce temps, la température de l'univers était si élevée que les quarks et les gluons n'interagissaient presque plus entre eux alors qu'ils se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière. Pendant cette période, l'univers était entièrement composé de ce plasma quark-gluon chaud. Après une fraction de seconde, l'univers aurait suffisamment refroidi pour permettre la formation de particules lourdes telles que les hadrons et les quarks ont commencé à interagir avec les gluons et entre eux. À partir de ce moment, l'univers tel que nous le connaissons a commencé à se former, des hadrons se liant à des électrons pour créer des atomes primitifs.

Dans la phase actuelle de l'univers, les scientifiques ont tenté de recréer du plasma de quark-gluon dans de grands accélérateurs de particules. Au cours de ces expériences, des particules lourdes telles que des hadrons sont brisées les unes sur les autres, créant des températures permettant aux quarks de se découpler pendant une brève période. De ces premières expériences, nous avons déjà appris certaines des propriétés du plasma quark-gluon, qui était apparemment totalement sans frottement et plus proche d'un liquide que notre compréhension normale des plasmas. Alors que les chercheurs continuent à expérimenter cet état de matière exotique, nous en apprendrons de plus en plus sur la manière dont notre univers a été formé et pourquoi.