Zéro absolu de plus en plus proche
1991/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
À l'École Générale Supérieure de Paris, l'année dernière, la température la plus basse a été atteinte sur certains atomes de césium: 2,5 millions de Kelvin. Mais quelques semaines plus tard la nouvelle est venue de Washington, parce que Carl Wieman avait descendu dans son laboratoire la marque jusqu'à 1,1 microcelvion (1,1x10 -6K).
Trois techniques différentes
Dans la course jusqu'au zéro absolu, les physiciens ne cessent de surmonter les obstacles après la bataille. La marque qui a obtenu en 1908 le néerlandais Kamerlingh Onnes est mémorable. Il, dans son laboratoire, l'a transformé en un liquide refroidi plus tôt que quiconque à une température de 4,3 K. Depuis lors, les physiciens se sont immergés dans les sous-multiples du degré K. Dans les années 70, ils ont développé des techniques pour mesurer le millième degré et atteignent aujourd'hui le million.
Les propriétés de l'hélium liquide sont essentiellement celles qui exploite la physique classique à très basse température. Il utilise des cryostats de dilution qui ont été échographiés proches des réfrigérateurs des maisons et vend actuellement des appareils pour obtenir 5 milicelvin.
Dans le cas des cryostats de dilution, le refroidissement d'un matériau à la température la plus basse peut durer longtemps. L'hélium liquide refroidit jusqu'à cette basse température et le matériau en contact avec cet hélium refroidit et reste froid.
Cependant, l'École Supérieure de Paris a utilisé un autre système. Le physicien Claude Cohen-Tannoudji et ses compagnons ont eu un centimètre cube de césium gazeux en 2,5 microcellules pendant quelques secondes, seulement à un moment de pointe.
Si l'on ne tient compte que de la température à l'écart de la masse, la technique appelée déphantation adiabatique permet d'obtenir des températures plus froides. Par cette technique, comme avec l'hélium liquide ou le césium gazeux, le bloc de matière n'est pas refroidi, mais seulement quelques particules de ce bloc.
En 1956 le hongrois Nicholas Kurti a refroidi dans une barre de cuivre les petits aimants (spines) qui produisent des noyaux de cuivre jusqu'à 12 microcelvines. Par la suite, la Finlandaise Lounasmaa a atteint avec ses collaborateurs une température de 20 nanocelvine (20x10 -9K). Il faut cependant préciser que les trois techniques utilisant l'hélium liquide, le césium gazeux et la désinantation adiabatique n'ont rien à voir. La mesure de la température est la seule chose courante dans les trois techniques. Voyons ce qui arrive à ces basses températures.
Organisation de la matière dans les trois techniques
En général, la température mesure le degré d'agitation de la matière. Dans les corps chauds, les particules circulent à grande vitesse. Par exemple, à une température de 100°C, les atomes de césium se déplacent à la dérive en heurtant à une vitesse de 300 m/s. Cependant, lorsque la température baisse, le mouvement anarchique à chaud se calme, les particules ralentissent et la matière tend à s'ordonner. Le gaz est d'abord transformé en liquide puis en solide, les particules ont été organisées en matière.
Les cryostats de dilution profitent des changements de phase à l'intérieur de l'hélium (du gaz au liquide) pour descendre jusqu'à la mylicelvine et s'organise lorsque la matière se refroidit.
Dans la démagnétisation adiabatique, un champ magnétique de haute intensité est appliqué à une barre de cuivre. Les spins du noyau qui erraient jusque-là sans but sont alignés dans la direction des lignes de champ. Si la partie métallique est bien isolée des apports de chaleur externes et que l'intensité du champ magnétique diminue lentement, les spins se refroidissent (pas tout le métal) en étant préordonnés.
La technique utilisée à l'École Supérieure de Paris est le soi-disant refroidissement laser. Le césium gazeux ressort par un petit orifice du four dans une certaine direction et contre ce jet un faisceau laser est lancé. Les photons qui touchent chaque particule de césium freinent le mouvement, de même que la voiture l'air contraire. À chaque choc avec les photons, la vitesse de l'atome de césium diminue de 3 mm/s.
Il semble que cet amortissement n'est pas énorme, mais après avoir heurté de nombreux photons, la vitesse de l'atome a ralenti à une température de 2,5 microcelvines. En fait, sur un parcours de deux mètres avec cent mille chocs la vitesse baisse de 300 m/s à un mètre ou une seconde. Ces atomes congelés sont ainsi stockés dans un entrepôt optique où six rayons laser sont recueillis et maintenus pendant quelques secondes à une vitesse de 1 cm/s ou 2,5 microcelvines.
Zéro absolu inaccessible
Comme chaque jour les marques se consolident, plus d'un peut demander quand le zéro absolu sera atteint. Les physiciens sont de plus en plus proches de ce zéro, bien sûr, mais ils ne croient pas qu'ils arrivent une fois de plus. D'une part, il y a des raisons pratiques qui l'empêchent. Comme vous ne pouvez pas obtenir un vide total, il n'est pas possible d'obtenir un zéro absolu pour ne pas avoir à introduire de la chaleur dans le champ d'essai de l'extérieur. D'autre part, il ya des raisons théoriques. Le troisième principe de la thermodynamique, qui jusqu'ici a gouverné la physique des changements thermiques, nie la possibilité de descendre jusqu'au zéro absolu.
Propriétés étonnantes de la matière
La raison principale pour laquelle les physiciens travaillent à basse température est qu'ils étudient mieux la matière. En fait, le mouvement des particules par chaleur à température ambiante cache certaines caractéristiques physiques de la matière. En dessous de la température de 2,17 K, l'isotope hélium 4 (avec deux protons et deux neutrons) a un comportement surprenant. Il se déverse sans frottement, monte par les parois verticales des récipients, sort d'un trou plus petit que la micron sans aucune difficulté et transporte la chaleur un million de fois plus facile que n'importe quel liquide : il devient un superfluide.
L'hélium est le seul liquide connu pour le moment et il faut mentionner que ces caractéristiques sont similaires à celles de la supraconductivité. La supraconductivité est une propriété particulière de certains métaux. En dessous d'une température déterminée (par exemple, l'aluminium au-dessous de 1,12 K), le métal ne pose aucun obstacle au passage du courant électrique. La résistance osmique est donc zéro. Le courant électrique introduit dans un anneau, par exemple, prendrait des millions d'années à disparaître de lui.
Ces curieuses caractéristiques de la matière sont expliquées par la mécanique quantique. À température ambiante prédomine le mouvement produit par la chaleur, mais à des températures froides les propriétés quantiques de la matière deviennent publiques. Dans l'hélium superfluide, par exemple, des groupes d'atomes sont recueillis. Au lieu que chaque atome déplace son chemin, il se déplace en groupe. Ce phénomène est connu comme condensation de Bose-Einstein, en l'honneur des deux physiciens qui ont annoncé. Un effet quantique similaire est produit sur les métaux supraconducteurs. Les électrons se réunissent deux par deux et se comportent comme un groupe avec un objectif concret.
Le liquide présente une superfluidité et une supraconductivité dans les métaux à basse température. Bien qu'il n'existe pas encore de phénomènes similaires dans les gaz, l'École Supérieure de Paris espère que le césium gazeux sera refroidi à des températures plus basses qu'un microcelvin.
D'autres phénomènes prévus dans la physique quantique sont également étudiés à des températures très basses, comme l'électronique microscopique. Dans les circuits de mesure micron (les puces électroniques actuelles), les lois classiques de l'électricité ne sont pas applicables. À des températures proches du dixième de Kelvina, la résistance électrique du circuit dépend des interférences entre les électrons du courant. Pour changer la résistance il suffit de changer la position d'un atome dans le métal pour changer la résistance du circuit.
Dans ces conditions, la théorie quantique doit apparaître spontanément dans un anneau métallique de très petit diamètre le courant électrique infinitésimal. Pour détecter ce petit courant, le CRTBT de Grenoble (Centre de recherche à très basse température) a monté un appareil de mesure sophistiqué. Ils analyseront le champ magnétique induit pour détecter en microns carrés un courant électrique milliard de fois inférieur à l'ampère.
Les bases du magnétisme de Grenoble sont également étudiées. Les atomes du liquide Hélium 3 (avec un neutron et deux protons dans le noyau) se comportent comme des aimants à basse température, formant un système magnétique très simple. De cette façon, il vise à vérifier différentes théories sur le magnétisme.
Applications pratiques
Les phénomènes détectés à ces basses températures ont déjà commencé à s'appliquer. Avec des aimants supraconducteurs on obtient des champs magnétiques moins chers que les bobines classiques.
Les montres atomiques de Césius seront également publiées prochainement. Sa précision est 100 fois supérieure à celle des montres actuelles, même si l'actuelle est impressionnante (en dix millions d'années, ils n'ont qu'une erreur de seconde).
Les astronomes peuvent également profiter du minicryostat de dilution. Compte tenu de la taille de la boîte à chaussures, ils peuvent être utilisés sur des satellites pour le refroidissement des bolomètres. Les bolomètres sont des appareils de haute précision qui sont chargés de détecter et de mesurer l'énergie transportant les radiations lumineuses. Cependant, travailler à des températures basses améliorera beaucoup.
Beaucoup d'autres améliorations sont attendues grâce à ces phénomènes curieux qui ont été connus dans cette course rapide jusqu'à zéro absolu.
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