Partager:
10 choses impossibles pour les physiciens
Dans le monde étrange de la physique, l'impossible est toujours possible. Mais ces derniers temps, de nombreux scientifiques ont réussi à surpasser même cette mise en garde et ont réalisé des premières spectaculaires.
10 froideur de loi
Dans le passé, les scientifiques ne pouvaient pas refroidir un objet au-delà d'une barrière appelée «limite quantique». Pour créer quelque chose de glacial, un laser doit ralentir ses atomes et leurs vibrations dégageant de la chaleur. Ironiquement, la lumière laser apporte de la chaleur à la transaction. Malgré l'abaissement de la température, cela l'empêche également de descendre en dessous de la limite quantique. Étonnamment, les physiciens ont conçu un tambour d’aluminium vibrant et ont réussi à abaisser sa température à 360 microKelvin, soit 10 000 fois plus réfrigérée que les profondeurs de l’espace. Le tambour mesurait 20 micromètres de diamètre (un cheveu humain mesurait entre 40 et 50 micromètres) et l'expérience dépassait la fameuse limite.
Jadis considérée comme impossible, la percée consistait en une nouvelle technique laser capable de «presser» la lumière et de diriger les particules avec une stabilité plus intense dans une direction. Cela éliminait les fluctuations du laser qui ajoutaient de la chaleur. Le tambour est l'objet mécanique le plus frigide jamais enregistré, mais pas la matière la plus froide, qui est un condensat de Bose-Einstein. Néanmoins, cet exploit pourrait un jour jouer un rôle dans l’électronique ultra-rapide et aider à comprendre les comportements étranges du monde quantique qui apparaissent lorsque les matériaux se rapprochent de leurs limites physiques.
9 la plus brillante lumière
Le rayonnement de notre propre Soleil est déjà remarquable. Maintenant, imaginez la lumière combinée d'un milliard de soleils. C'est à peu près l'équivalent de ce que les physiciens ont récemment mis au monde dans un laboratoire. Officiellement la luminosité la plus brillante jamais vue sur Terre, la lumière s'est également comportée de manière inattendue. Cela a changé l'apparence des objets.
Pour comprendre cela, il faut regarder comment fonctionne la vue. Les photons doivent se disperser à partir d'électrons avant que la vision ne devienne possible. Dans des circonstances normales, les électrons heurtent un photon à la fois. Lorsque quelque chose devient plus lumineux, la forme reste généralement la même que dans les conditions de faible luminosité. Le puissant laser utilisé dans l'expérience a dispersé 1 000 photons à couper le souffle. Puisque la diffusion est égale à la visibilité, l'intensité à laquelle elle se produit a modifié le comportement des photons et, par conséquent, la perception d'un objet illuminé. Cet effet étrange est devenu plus évident lorsque la super-lumière du soleil est devenue plus forte. L'énergie et la direction normales des photons ayant été modifiées, la lumière et les couleurs ont été produites de manière inhabituelle.
8 trous noirs moléculaires
Une équipe de physiciens a récemment créé quelque chose qui se comporte comme un trou noir. Ils ont déployé le laser à rayons X le plus puissant existant, la source de lumière cohérente Linac (LCLS), pour zapper les molécules d'iodométhane et d'iodobenzène. Les chercheurs s'attendaient à ce que le faisceau récupère la plupart des électrons de l'atome d'iode de la molécule, laissant ainsi le vide. Lors d'expériences avec des lasers plus faibles, ce vide a ensuite aspiré des électrons de la partie la plus à l'extérieur de l'atome. Lorsque LCLS a frappé, l'attendu s'est produit, suivi par quelque chose d'étonnant. Au lieu de s'arrêter avec lui-même, l'atome d'iode a commencé à manger des électrons des atomes d'hydrogène et de carbone voisins. C'était comme un minuscule trou noir à l'intérieur d'une molécule.
Les explosions suivantes ont assommé les électrons volés, mais le vide a aspiré encore plus. Le cycle a été répété jusqu'à ce que toute la molécule ait explosé. L'atome d'iode était le seul atome à se comporter de la sorte. Plus gros que le reste, il a absorbé une énorme quantité d'énergie de rayons X, perdant ses électrons d'origine. La perte laissait l'atome avec une charge positive suffisamment forte pour séparer les électrons des atomes plus petits.
7 hydrogène métallique
C'est ce qu'on appelle le «Saint Graal de la physique des hautes pressions», mais jusqu'à présent, aucun scientifique n'avait réussi à forger de l'hydrogène métallique. En tant que supraconducteur possible, il s’agit d’une forme très recherchée de l’élément normalement gazeux. La possibilité de transformer l'hydrogène en un métal a été proposée pour la première fois en 1935. Les physiciens ont émis l'hypothèse que des pressions énormes pourraient provoquer la transformation. Le problème était que personne ne pouvait produire ce genre de pression extrême.
En 2017, une équipe américaine a peaufiné une technique ancienne et mis en place le matériel théorique pour la première fois. Des expériences antérieures ont été effectuées à l'intérieur d'un dispositif appelé cellule à enclume de diamant. La force est générée en utilisant deux diamants synthétiques opposés, mais ils ont toujours craqué au point critique. Les physiciens ont utilisé la chambre cellulaire mais ont conçu un nouveau procédé de formage et de polissage qui évite les fractures redoutables. L'appareil était alors capable de produire une pression stupéfiante: plus de 71,7 millions de livres par pouce carré. Pas même au centre de la Terre, on ne trouve pas une telle compression.
6 Puce informatique avec cellules du cerveau
En matière d’électronique, la lumière pourrait un jour remplacer l’électricité. Les physiciens ont compris le potentiel de la lumière à cet égard il y a plusieurs décennies, lorsqu'il est devenu évident que ses ondes pourraient voyager les unes à côté des autres et effectuer ainsi une multitude de tâches à la fois. L'électronique traditionnelle utilise des transistors pour ouvrir et fermer les chemins d'électricité, limitant ainsi les possibilités. Une invention récente remarquable est une puce informatique imitant le cerveau humain. Il «pense» rapidement en utilisant des rayons lumineux qui interagissent les uns avec les autres, de manière analogue aux neurones.
Dans le passé, des réseaux de neurones plus simples étaient créés, mais l'équipement couvrait plusieurs tables. Tout ce qui était plus petit était considéré comme impossible. Fabriquée en silicone, la nouvelle puce mesure quelques millimètres et se compose de 16 neurones.La lumière laser pénètre dans la puce puis se divise en faisceaux que chaque signal numérote ou renseigne en variant de luminosité. L'intensité des lasers qui sortent donne la réponse au calcul du nombre ou à toute autre information à laquelle il était demandé de fournir une solution.
5 forme impossible de la matière
Dites bonjour aux supersolides. Cette étrange balle n'est pas aussi terriblement dure que son nom l'indique. Au lieu de cela, le matériau bizarre a la structure cristalline rigide de tous les solides tout en paraissant être un fluide. Ce paradoxe devait rester non réalisé, car il va à l’encontre de la physique connue. En 2016, toutefois, deux équipes scientifiques indépendantes ont produit des documents portant les marques d'un supersolide. Incroyablement, les deux ont utilisé des approches différentes pour faire ce que beaucoup pensaient qu'aucune technique ne pourrait atteindre.
Les scientifiques suisses ont créé un condensat de Bose-Einstein (la matière la plus froide à ce jour) en refroidissant sous vide le gaz de rubidium à l'extrême. Le condensat a ensuite été transféré dans un dispositif à double chambre, chaque chambre contenant de petits miroirs opposés. Les lasers ont favorisé une transformation et les particules ont réagi en se rangeant dans le motif cristallin d'un solide, le matériau conservant sa fluidité. Les Américains sont arrivés à la même matière hybride étrange mais ont créé leur condensat après traitement des atomes de sodium avec refroidissement par évaporation et lasers. Ensuite, ils ont utilisé des lasers pour décaler la densité des atomes jusqu'à l'apparition de la structure cristalline dans leur échantillon liquide.
4 fluide de masse négative
En 2017, les physiciens ont conçu une chose ahurissante: une forme de matière qui se déplace vers la force qui la repousse. Bien que n'étant pas exactement un boomerang, il a ce que l'on pourrait appeler une masse négative. La masse positive est la normalité à laquelle la plupart des gens sont habitués: vous poussez quelque chose et l'objet accélère dans la direction dans laquelle il a été poussé. Pour la première fois, un fluide a été créé, qui se comporte comme tout ce que personne n'a jamais vu dans le monde physique. Lorsque poussé, il accélère en arrière.
Une fois encore, un condensat de Bose-Einstein était glacé à partir d'atomes de rubidium. Les scientifiques avaient maintenant un superfluide avec une masse régulière. Ils ont rassemblé ses atomes étroitement avec des lasers. Ensuite, une deuxième série de lasers a incité les atomes à modifier leur rotation. Une fois libéré de la prise ferme des premiers lasers, un fluide normal s’est répandu vers l’extérieur et loin de son centre, ce qui consiste essentiellement à pousser. Le rubidium superfluid altéré, à une vitesse assez rapide, ne s'est pas propagé lors de sa libération, mais s'est arrêté net dans un affichage de masse négative.
3 cristaux de temps
Lorsque Frank Wilczek, physicien récompensé par le prix Nobel, suggéra des cristaux de temps, l’idée parut folle, en particulier la possibilité qu’ils produisent un mouvement à l’état fondamental, le niveau d’énergie le plus bas de la matière. Le mouvement est théoriquement impossible car il faut de l’énergie là où il y en a peu. Wilczek pensait que le mouvement perpétuel pourrait être obtenu en inversant et en alignant l'alignement de l'atome d'un cristal dans son état fondamental. La structure atomique d'un tel objet se répète dans le temps, produisant une commutation constante sans nécessiter d'énergie. Cela allait à l'encontre des lois de la physique, mais en 2017, cinq ans après que Wilczek eut envisagé le sujet étrange, les physiciens ont compris comment en fabriquer.
Une équipe a manipulé dix ions ytterbium interconnectés avec deux lasers. L'un d'eux formait un champ magnétique, tandis que le second ajustait la rotation des atomes jusqu'au retournement de Wilczek. À Harvard, un cristal de temps est né lorsque des impuretés d’azote ont été retournées dans des diamants. Même si les cristaux de temps sont maintenant acceptés et pas seulement une théorie insensée, ils doivent être zappés périodiquement pour continuer à tourner. Ils ne sont peut-être pas les instruments perpétuels de Wilczek, mais les cristaux de temps restent différents de tout ce que les chercheurs ont jamais étudié.
2 miroirs de Bragg
Un miroir de Bragg ne peut pas beaucoup réfléchir et sa taille varie de 1 000 à 2 000 atomes. Mais il peut refléter la lumière, ce qui le rend utile dans les endroits où les plus petits miroirs sont nécessaires, comme dans l'électronique avancée. La forme n'est pas conventionnelle; les atomes pendent dans le vide, ressemblant à un collier de perles. En 2011, un groupe allemand a créé le groupe le plus réfléchissant à ce jour (80%) en imprimant au laser un bloc de dix millions d’atomes en réseau.
Depuis lors, les équipes danoises et françaises ont énormément condensé le nombre d'atomes nécessaires. Au lieu de zapper des atomes regroupés, ils les ont chaînés à côté de fibres optiques microscopiques. Lorsqu'elle est correctement espacée, la condition de Bragg appliquée applique une longueur d'onde de la lumière directement à son point d'origine. Lorsque la lumière a été transmise, certains ont échappé à la fibre et ont touché les atomes. Les cordes danoise et française réfléchissaient environ 10% et 75% respectivement, mais toutes deux renvoyaient la lumière dans la fibre dans la direction opposée. Outre les avancées technologiques prometteuses et illimitées, il pourrait également s'avérer utile un jour pour les dispositifs quantiques étrangers, car les atomes utilisaient en outre le champ lumineux pour interagir les uns avec les autres.
1 aimant 2-D
Les physiciens tentent de fabriquer un aimant à deux dimensions depuis les années 1970, mais ont toujours échoué. Un véritable aimant bidimensionnel conservera ses propriétés magnétiques même après avoir été réduit à l'état qui le rend bidimensionnel - une couche d'un seul atome d'épaisseur. Les scientifiques ont commencé à se demander si un tel aimant était même possible.
En juin 2017, les chercheurs ont choisi le triiodure de chrome dans le but de créer un aimant 2D. Le composé était attrayant pour plusieurs raisons: il s’agissait d’un cristal stratifié, parfait pour l’amincissement, doté d’un champ magnétique permanent, et ses électrons avaient une direction de rotation préférée.Ce sont des atouts essentiels qui ont permis au triiodure de chrome de rester magnétique, même après que le cristal ait été décollé jusqu'à sa dernière couche d'atomes.
Le premier véritable aimant bidimensionnel au monde a émergé à une température étonnamment chaude - 228 degrés Celsius (-378 ° F). Il a cessé d’être un aimant lors du remplacement d’une deuxième couche, mais a retrouvé ses propriétés lorsqu’une troisième et quatrième feuilles ont été ajoutées. Pour le moment, il ne fonctionne pas à la température ambiante et l'oxygène le détériore. Malgré leur fragilité, les aimants 2D permettront aux physiciens de réaliser des expériences impossibles jusqu'à présent.