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Explorez le comportement exotique des matériaux à travers deux expériences récentes

Explorez le comportement exotique des matériaux à travers deux expériences récentes

Les électrons dans un atome ou une molécule peuvent nous donner beaucoup d'informations sur cet élément ou ce matériau. Par exemple, les atomes qui composent le sel de table (chlorure de sodium) forment des cristaux cubiques en raison de la façon dont les deux éléments partagent les électrons.

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Propriétés exotiques d'un matériau

La propriété la plus recherchée d'un matériau est peut-être supraconductivité. C'est là que la substance a une résistance électrique nulle lorsqu'elle est refroidie en dessous d'une certaine température critique.

La supraconductivité a été découverte pour la première fois dans le mercure par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes en 1911.

En général, la résistance électrique d'un conducteur métallique diminue lorsque la température est abaissée, mais même proche du zéro absolu (zéro kelvin, moins459,67 degrés Fahrenheit,moins273,15 degrés Celsius), il y a une certaine résistance. Dans un supraconducteur, la résistance tombe brusquement à zéro lorsque le matériau est refroidi en dessous de sa température critique.

En théorie, un courant électrique à travers une boucle de fil supraconducteur qui est refroidi à sa température critique peut persister indéfiniment sans source d'énergie.

Deux expériences, même comportement

En 2018, deux groupes de recherche indépendants ont examiné le comportement des électrons dans un cristal en concevant en deux dimensions antiferromagnétiques. Ce sont des matériaux où les moments magnétiques de leurs atomes ou molécules, généralement liés aux spins de leurs électrons, s'alignent à basse température selon un schéma régulier, avec des spins voisins sur différents sous-réseaux pointant dans des directions opposées, de sorte qu'il ne présente presque pas de magnétisme.

Les scientifiques ont découvert que les électrons collectivement imité les fluctuations du champ magnétique du boson de Higgs. Le boson de Higgs est une particule élémentaire (dans le modèle standard de particules) qui est produite par l'excitation quantique du champ de Higgs. Dans un livre de 1993, l'ancien directeur du Laboratoire Fermi, Leon Lederman, a appelé le Higgs théorique, «la particule de Dieu».

Le champ et la particule portent le nom du physicien britannique Peter Higgs, qui en 1964 a proposé le mécanisme pour expliquer pourquoi certaines particules ont une masse. L'existence du boson de Higgs a été confirmée en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons du CERN.

Dans la vidéo ci-dessous, qui est l'annonce de la découverte du boson de Higgs, on peut voir le professeur Higgs se tamponner les yeux après avoir attendu 48 ans la confirmation de sa théorie.

Le 10 décembre 2013, Peter Higgs et François Englert ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs prédictions théoriques sur le boson de Higgs.

Pour inciter les électrons à se comporter comme des bosons de Higgs, les chercheurs ont bombardé le matériau avec des neutrons. Les champs magnétiques des électrons ont commencé à fluctuer d'une manière qui ressemblait mathématiquement au boson de Higgs.

Un groupe de recherche était dirigé par David Alan Tennant et Tao Hong au laboratoire national d'Oak Ridge. L'autre groupe était dirigé par Bernhard Keimer au Max Planck Institute for Solid State Research.

Le groupe de Keimer a découvert que le comportement de leur matériau était similaire au comportement du boson de Higgs dans un accélérateur de particules, tel que le grand collisionneur de hadrons. Là, le boson de Higgs se désintègre rapidement en d'autres particules, telles que des photons.

Dans l’antiferromagnet de Keimer, les électrons se sont comportés comme des particules appelées bosons de Goldstone. Le matériau créé par le groupe de Tennant a produit un mode Higgs qui ne se décompose pas.

Une transition de phase quantique

L'objectif des deux groupes est d'observer une transition de phase quantique, où les propriétés d'un matériau peuvent changer radicalement. Contrairement à une transition de phase standard, telle que l'eau passant d'un liquide à un solide, une transition de phase quantique se produit lorsqu'un paramètre physique, tel que le champ magnétique ou la pression, varie à une température nulle absolue.

Le groupe de Keimer espère observer une transition de phase quantique et d'autres propriétés étranges de la matière associées au mode de Higgs. S'adressant à Quanta Magazine, Tennant a déclaré: "Nos cerveaux n'ont pas d'intuition naturelle pour les systèmes quantiques. Explorer la nature est pleine de surprises car elle est pleine de choses que nous n'aurions jamais imaginées."


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