Regard sur l'univers de la physique et l'Astrophysique...

Un groupe de physiciens pense avoir enfin démontré que la piste des phonons doit être abandonnée pour qui veut expliquer la supraconductivité à haute température et concevoir un mythique supraconducteur à température ambiante. Le débat n’est cependant probablement pas encore clos entre opposants et partisans d’une autre piste, celle des excitations magnétiques.

Il est probable que seule une percée théorique dans le domaine de la compréhension des supraconducteurs à haute température critique nous permettra de découvrir un mythique supraconducteur à température ambiante. Avec un tel matériau, notre vie changerait et pas seulement de la façon décrite par l’exposition Supradesign. S'il devient facile et peu coûteux à fabriquer, un matériau supraconducteur à température ambiante est probablement la seule solution crédible pour faire passer le projet d’un Maglev intercontinental du rêve à la réalité. Rappelons que c’est en 1986 que Bednorz et Müller ont découvert que certains composés pouvaient être supraconducteurs à des températures de l’ordre de 30K (kelvins) alors que jusque-là la limite était inférieure à 10K. Les cuprates et autres matériaux découverts depuis lors, comme les BSCCO (Oxydes de Bismuth-Strontium-Calcium-Cuivre), pouvaient maintenir leur état supraconducteur à de hautes températures, parfois supérieures à 100K. Cette bombe dans le milieu de la physique du solide a depuis donné lieu à un débat intense entre théoriciens.

Le principe des supraconducteurs conventionnels est bien décrit dans la théorie développée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (théorie BCS) en 1957. Elle repose sur le fait que la quantification des vibrations du réseau cristallin d’un solide se traduit par l'existence d'analogues des photons, les quanta de lumière. Comme il s’agit d'ondes sonores se propageant dans un milieu matériel, on parle de phonons. Dans les supraconducteurs classiques, ces phonons provoquent, en dessous d’une certaine température critique, la formation de ce qu’on appelle des paires de Cooper, des couples d'électrons de conduction qui peuvent se déplacer sans rencontrer de résistance.

Représentation d'artiste d'un plan du réseau cristallin d'un BSCCO avec une paire de Cooper (en jaune) formée de deux électrons avec des spins antiparallèles (flèches blanches). Une impulsion laser (paquet d'ondes rouge) est sur le point de s'y réfléchir. © Claudio Giannetti

Que ce soit pour des supraconducteurs conventionnels ou à haute température critique, on a de bonnes raisons de penser que le cœur du phénomène est toujours la formation de ces paires de Cooper. Certains théoriciens, confortés par des expériences montrant que les électrons interagissent bien avec des phonons dans les supraconducteurs à haute température critique, croient toujours que la théorie BCS, d’une façon encore mal comprise, doit s’appliquer. Pour d’autres, il n’en est rien et les paires de Cooper dans ce type de supraconducteur seraient formées par des interactions magnétiques entre les électrons.

Faire la lumière sur les paires de Cooper
Un groupe international de physiciens vient d’ailleurs de publier un article dans Science, dans lequel ils espèrent avoir définitivement réfuté la théorie basée sur des phonons. Pour cela, ils ont soumis un supraconducteur à haute température critique, un BSCCO, à des séries de deux impulsions laser durant 100fs (femtosecondes). La première impulsion était destinée à perturber les électrons dans le matériau et la seconde à mesurer les modifications de sa réflectivité en fonction de la fréquence, juste après l’action de la première. Ces modifications sont infimes mais d’après des simulations numériques sur ordinateur, elles sont différentes selon que les paires de Cooper se forment grâce aux phonons ou grâce à des ondes de spin magnétiques dans un BSCCO.

Les mesures obtenues ne sont pas en accord avec les simulations basées sur la formation des paires de Cooper avec des phonons. Les chercheurs pensent donc avoir réglé la question. Mais selon d’autres physiciens, rien n’est moins sûr. Ils pointent du doigt que les simulations ont été effectuées avec des modèles physiques dont les hypothèses de départ sont discutables. Même si une pièce a été ajoutée au dossier, le débat va donc se poursuivre.

* Disentangling the Electronic and Phononic Glue in a High-Tc Superconductor
* Supradesign
* Science

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/supraconductivite-a-haute-temperature-faut-il-oublier-les-phonons_37955/

Depuis quelque temps, plusieurs groupes de recherche affirment avoir réussi à synthétiser un équivalent du graphène à base de silicium, le silicène. Si son existence se confirme, une nouvelle électronique devrait en naître, peut-être même plus tôt que celle envisagée avec le graphène.

On sait que le carbone et le silicium sont des cousins proches, à tel point que l’on a même parfois envisagé une exobiologie basée sur le silicium. On peut penser d’ailleurs qu’une telle forme de vie, ou pour le moins sa chimie et sa physique prébiotique, existe déjà sous forme rudimentaire sur Terre avec les robots et les ordinateurs. Mais une telle affirmation spéculative est tout de même tirée par les cheveux, bien que la mondialisation actuelle de l’électronique, de l’internet et des télécommunications pourrait fort bien être vue par des robots conscients du futur comme les premières manifestations de leur biosphère.

Deux images prises avec un microscope à effet tunnel de ce qui serait bel et bien une couche mince de silicène avec un agencement en nid d'abeilles des atomes de silicium sur une surface d'argent (Ag 111) présentées à PCSI 2011, San Diego. © P. Vogt (TU Berlin) et G. Le Lay (Marseille)

Bien loin de ces spéculations, on prévoit les limites, bientôt atteintes, de l’électronique classique et nombreux sont ceux qui attendent du graphène qu’il puisse les repousser, ouvrant une nouvelle ère avec la nanotechnologie et les nanosciences.

Polémique autour de la découverte du silicène
Mais il n'est pas facile de rendre le graphène semi-conducteur ou d'en fabriquer des transistors plus rapides et plus petits que ceux existant. Or, depuis quelques années des théoriciens avaient prédit que l’équivalent du graphène, mais avec des atomes de silicium, devait exister. Ce matériau théorique a été baptisé silicène en 2007 par Lok C. Lew Yan Voon, un chercheur de la Wright State University dans l’Ohio, États-Unis. Il serait naturellement adapté à la fabrication de transistors.

Plusieurs groupes de recherche se sont lancés dans la synthèse du silicène. Une polémique récente s'attache à déterminer le groupe qui a vraiment réussi à synthétiser du silicène. Selon certains, les résultats obtenus en 2010 et publiés dans Applied Physics Letters n’étaient pas convaincants. C’est pourquoi ils publient aujourd’hui dans Physical Review Letters un autre article dans lequel ils pensent avoir cette fois une démonstration solide de l’existence du silicène. Sans entrer dans la polémique, si le silicène existe bien, il reste à en fabriquer des transistors et on est encore loin d’applications concrètes prolongeant la loi de Moore.

* Multiple Groups Claim to Create First Atom-Thick Silicon Sheets
* Epitaxial growth of a silicene sheet
* Physical Review Letters

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-silicene-cousin-du-graphene-existerait-bien_37993/

Il y a environ deux semaines, le LHC produisait ses premières collisions de protons à des énergies record de 8TeV, bientôt suivies de la phase de collecte des événements pour la physique avec l’arrivée des faisceaux stables. Petit retour en vidéo sur la performance, alors que le LHC bat aussi en ce moment son record de luminosité avec des fréquences de collisions de plus en plus élevées.

Pour tenter de comprendre nos origines et notre destin dans le cadre de l’évolution de l’Univers qui l’a conduit du Big-Bang au Vivant, il est nécessaire de sonder les arcanes de la matière et des forces à des énergies comparables à celles atteintes par le cosmos observable il y a 13,7 milliards d’années. C’est ce que l’on tente de faire avec les collisions de protons au LHC. Il n’y a malheureusement pas eu de création de minitrous noirs dans ces collisions et il semble maintenant bien improbable que même les successeurs du LHC en produisent jamais. Il ne reste donc probablement plus que la fenêtre du rayonnement fossile, plus généralement des observations en cosmologie, pour espérer saisir quelques-uns des secrets de la gravitation quantique. Matière, espace et temps y émergeraient d’une réalité qui nous échappe encore, peut-être en rapport avec des concepts profonds sur l’information, les fondements des mathématiques et la théorie des automates cellulaires.

Des collisions de protons à 8TeV le 5 avril 2012, vues par le détecteur CMS. © Cern

Heureusement, le boson de Higgs semble donner quelques signes de son existence et la montée en énergie et luminosité du LHC devrait permettre de la confirmer d’ici à la fin de l’année. Sans aucun doute, nombreux sont les physiciens qui attendent que ce ne sera pas un Higgs standard que révélera les détecteurs CMS et Atlas. Quelques-uns espèrent même qu’on ne le verra pas du tout.

Le LHC vient de démarrer les collisions entre protons à l'energie sans précédentsde 4TeV par faisceau. Cette vidéo marque cette nouvelle phase du programmede l'accélérateur et décrit les défis et les attentes des physiciens d'Atlas et de CMS à travers les mots des coordinateurs de physiques en chargeactuellement, Richard Hawkings et Greg Landsberg. Cliquez sur l'image pour voir la vidéo. © Cern

Cela pourrait justement être une indication précieuse en faveur de certains modèles de gravitation quantique, comme l’influence de trous de vers virtuels si l’on en croit Stephen Hawking, ou encore la présence de dimensions spatiales supplémentaires qui permettraient de donner une masse aux bosons Z et W du modèle électrofaible d’une façon différente de celle proposée avec le mécanisme de Higgs dans les années 1960.

Records de luminosité, 20.000 milliards de collisions en 6 jours au lieu de 6 semaines
En tout état de cause, même si l’augmentation en énergie des collisions du LHC, même peu importante, est une bonne chose pour traquer des signes d’une nouvelle physique, une plus grande luminosité est requise pour faire sa découverte en quelques années tout au plus. Les performances actuelles du LHC amélioré sont déjà spectaculaires. En seulement six jours d’exploitation, le LHC a déjà produit environ vingt mille milliards de collisions alors que l’année dernière il fallait six semaines pour atteindre le même résultat.

Ce n’est qu’un début. Le nombre de paquets de protons par faisceau circulant dans le LHC n’est encore que de 624. Il devrait très bientôt être porté à 840 et finalement atteindre les 1.380, le nombre de protons par paquet augmentera progressivement lui aussi. Avant que l’on ne fasse la lumière sur l’existence ou non du boson de Higgs standard, on en saura plus dans peu de temps sur celle des neutrinos transluminiques. Il semble de plus en plus probable que les résultats d’Opera n’aient été qu’un artefact des instruments de mesure. Même si une preuve définitive n’a pas encore été apportée, la démission d'Antonio Ereditato, l’un des membres clés de la collaboration à l’origine de l’annonce des résultats étranges de l’expérience, ne laisse rien présager de bon pour ceux qui croyaient vraiment que l’on avait réussi à déjouer Einstein. En attendant, il est possible de suivre en direct la chasse au boson de Higgs. Le LHC propose en effet plusieurs sites dédiés aux détecteurs. Il suffit de choisir !

* Le site du Cern
* Le site de CMS
* Opera

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/en-video-records-de-luminosite-et-denergie-au-lhc_38146/

On le sait depuis un mois mais, pour y croire, on attendait une publication officielle. C'est fait, des chercheurs de l’Université de Delft, en Hollande, ont annoncé dans Science la détection indirecte de fermions de Majorana produits dans un dispositif électronique. De quoi permettre la réalisation d’ordinateurs quantiques performants.

Il y a plus d’un mois, on apprenait de Leo Kouwenhoven, un physicien de l’Université de Delft, lors d’un colloque de l’American Physical Society, que lui et ses collègues avaient probablement découvert les premiers signes convaincants de l’existence de fermions de Majorana. Il ne s’agit pas de particules fondamentales, comme le sont jusqu’à nouvel ordre les électrons, mais d’excitations quantiques particulières au sein d'un solide, comme le sont les phonons impliqués dans la supraconductivité.

Une représentation du transistor où les physiciens ont probablement provoqué la fabrication des quasi-particules décrites par la théorie des fermions de Majorana. Le nanofil en antimoniure d'indium est recouvert d'or et connecté à une électrode supraconductrice en bleu. © TU Delft 2012

Comme nous l’avons expliqué dans un précédent article, l’intérêt principal représenté par ces "quasi-particules", selon l'expression de la physique du solide, est qu'elles pourraient permettre la réalisation d'ordinateurs quantiques topologiques.

Un pas vers l'ordinateur quantique du futur ?
Mais pour juger sur pièces, les collègues de Kouwenhoven attendaient sans doute une publication officielle. Elle vient d’arriver et on peut la trouver dans le journal Science. Les chercheurs y exposent l'expérience qui leur a donné des indices, encore faibles et indirects mais plutôt convaincants, de la formation de fermions de Majorana dans un transistor conçu avec un nanofil d'antimoniure d'indium et une électrode supraconductrice plongée dans un champ magnétique.

Fin 2009, des chercheurs français publient une avancée déterminante pour la fabrication d’un ordinateur quantique. Un dispositif de lecture haute fidélité d’un bit quantique ou qubit pour, un jour, parvenir à effectuer des calculs inaccessibles aux ordinateurs actuels. Tout ceci paraît-il trop compliqué et réservé aux initiés ? Voilà un reportage pour démystifier l'informatique quantique. Cliquez sur l'image pour voir la vidéo. © Réalisation: Malo Delarue-Production: Universcience

Si ces fermions existent bel et bien dans ce dispositif, ce qui reste encore incertain, il faudrait que l’on puisse les manipuler facilement pour réaliser grâce à eux des calculs quantiques avec des qubits. Restera à vérifier aussi que les ordinateurs quantiques topologiques sont en pratique plus résistants à la décohérence que les ordinateurs habituels réalisés jusqu’ici. Même si il y a de l’espoir, personne ne peut encore dire si les ordinateurs quantiques cesseront un jour d’être des curiosités de laboratoire et transformeront vraiment notre vie quotidienne.

* Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices
* Site de Leo Kouwenhoven

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/des-fermions-de-majorana-auraient-bien-actac-produits-dans-un-transistor_38144/

Dans certains matériaux formant un réseau cristallin « 1D », les électrons se comportent collectivement comme un liquide qui serait constitué de particules ayant chacune une seule des caractéristiques d’un électron, les chargeons, les spinons et les orbitons. Seules les deux premières avaient été observées. Jusqu'à aujourd'hui...

Dans le monde de la physique quantique, les particules ne sont ni vraiment des ondes, ni vraiment des particules. On est en fait confronté à des quanta d’énergie dont les manifestations ressemblent parfois, selon l'instrument de mesure, à de vraies ondes ou à des vraies particules. L’une des conséquences de l’existence de quanta d’énergie est que divers mouvements collectifs de particules élémentaires, aux échelles d’énergie de ces mouvements, apparaissent eux-mêmes comme de nouvelles particules portant un quantum d’énergie chacune. Ainsi, même si nous savons que les noyaux sont composés de protons et de neutrons, aux échelles d’énergie de la physique atomique, par exemple lorsque l’on chauffe un peu un bloc de fer ou lorsqu’on le soumet à une différence de potentiel, ces noyaux se comportent comme des particules élémentaires. En dessous du point de fusion du fer, les oscillations des noyaux autour de leur position d’équilibre font que les lois de la physique quantique imposent l’existence de paquets d’énergie liés à ces oscillations et aux ondes sonores se propageant dans le réseau cristallin. Ce sont des phonons, bel exemple de ce qu'il est convenu d'appeler des « quasi-particules ».

Dans un matériau supraconducteur classique, ces phonons forcent les électrons de conduction à former des Paires de Cooper, lesquelles constituent alors une sorte de superfluide pouvant s’écouler sans résistance électrique. Dans un semi-conducteur, les électrons quittant la bande de valence pour aller dans la bande d’énergie de conduction, celle où ils peuvent se déplacer sans être liés autour d’un noyau du semi-conducteur, laissent un trou qui peut lui-même être décrit comme une quasi-particule. On peut lui associer une charge, un moment cinétique et une masse effective, comme une vraie particule élémentaire.

Dans les années 1950, l’un des découvreurs de la formulation relativiste de la théorie quantique des champs, le prix Nobel de physique japonais Sin-Itiro Tomonaga, avait jeté les bases de la théorie de la conduction des électrons dans des solides que l’on pouvait considérer comme des objets en 1D. En tout état de cause, résoudre des problèmes en 1D est parfois un bon moyen de comprendre plus facilement des phénomènes en 2D ou 3D. Reprise et reformulée dans les années 1960 par le physicien Joaquin Luttinger, et malgré des erreurs de sa part, elle est connue aujourd’hui sous le nom de théorie des liquides quantiques de Tomonaga-Luttinger. C'est le physicien Lev Landau qui est à l'origine de la théorie des liquides quantiques, plus précisément des liquides de Fermi, c'est-à-dire du comportement des électrons - qui sont des fermions - dans un solide quand on ne peut plus négliger les interactions des électrons entre eux. Un modèle de gaz de particule est alors moins pertinent.

Spinons, orbitons et chargeons, les trois avatars de l'électron
Comme Tomonaga l’avait compris, le comportement collectif du liquide quantique d’électrons dans ces structures faisait apparaître un curieux phénomène, celui de séparation spin-charge. Tout se passait comme si ce liquide d’électrons était composé de particules différentes portant seulement l'une des caractéristiques de l'électron. Tout comme les phonons, ces particules sont en réalité des quasi-particules mais il s'agit alors de spinons, des quasi-particules possédant le spin ½ d’un électron mais aucune charge, et de chargeons - chargons en anglais, d’autres quasi-particules cette fois-ci dépourvues de spin mais possédant la charge d’un électron. Dans un semi-conducteur, cela donnerait lieu aussi à la formation de holons, c'est-à-dire encore des chargeons mais avec une charge opposée à celle de l'électron. Les électrons sont toujours là en tant que particules élémentaires mais leur comportement est équivalent à celui d’un mélange de spinons et de chargeons/holons. On exprime parfois ce fait en disant que l'électron a été scindé en trois particules, mais l'expression est quelque peu abusive et même trompeuse.

L’existence des spinons et des chargeons n’a été vraiment démontrée qu’il y a quelques années seulement. Mais il manquait à l’appel une autre quasi-particule dont l’existence avait été découverte théoriquement vers la fin des années 1990, l’orbiton. Elle tire son nom de sa caractéristique. Si un électron possède un moment cinétique intrinsèque, son spin, il a aussi un moment cinétique orbital lorsqu’il tourne autour d’un noyau. Comme l’explique un article publié dans Nature, l’orbiton a finalement été découvert par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer, en Suisse, en faisant se diffracter des rayons X sur une structure 1D dans un échantillon de Sr₂CuO₃. Selon l’un d’entre eux, ce comportement collectif des électrons, équivalent à l'existence d’un mélange de trois types de quasi-particules différentes, pourrait bien contenir, avec la découverte de l’orbiton, une des clés pour comprendre la supraconductivité à haute température critique des fameux cuprates.

* Prix Nobel de Physique japonais Sin-Itiro Tomonaga
* Le physicien Joaquin Luttinger
* Spin-orbital separation in the quasi-one-dimensional Mott insulator Sr₂CuO₃
* Physicists observe the splitting of an electron inside a solid

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/on-a-vu-lorbiton-lun-des-trois-avatars-des-aclectrons-dans-un-solide_38325/