Une découverte en physique quantique promet un transfert d'énergie ultra-efficace – technologie
Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont annoncé la mise en œuvre d'une expérience réussie qui pourrait constituer une percée dans la compréhension des processus quantiques. Ils ont pu identifier un phénomène rare connu sous le nom d’effet Hall quantique comme un « état limite » avec des atomes ultrafroids. Ces états permettent aux atomes de se déplacer le long des limites de la matière sans friction, ce qui est extrêmement rare dans la nature.
La recherche, publiée dans la revue Nature Physics, ouvre la perspective de créer des matériaux ultra-efficaces capables de transférer de l'énergie et des données sans perte.
Les « états limites » sont des états quantiques spéciaux d’électrons qui se produisent aux frontières entre différents matériaux. Ils possèdent des propriétés uniques telles qu'une conductivité élevée et une résistance aux influences extérieures. Les scientifiques étudient ce phénomène depuis longtemps dans l’espoir de l’utiliser pour créer de nouveaux appareils et matériaux électroniques.
Les électrons sont généralement des particules libres qui peuvent traverser la plupart des métaux dans n'importe quelle direction. Lorsqu'ils entrent en collision avec un obstacle, ils subissent des frictions et se dispersent de manière aléatoire, semblable à la collision de boules de billard.
Mais dans certains matériaux très rares, on peut observer un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique, découvert par le physicien allemand Claus von Klitzing en 1980, dans lequel, sous l'influence d'un champ magnétique et de températures extrêmement basses, un double formes d'objets dimensionnels. Le flux d’électrons semble se déplacer délibérément le long d’orbites cyclotroniques spéciales. Dans ces cas, ils peuvent « coller » à l’extrémité du matériau et circuler dans une direction, comme des fourmis se déplaçant en formation le long des limites d’un objet. Dans cet « état limite » rare, les électrons peuvent se déplacer sans friction, glissant doucement autour des obstacles tout en se déplaçant dans un flux dirigé vers l’environnement. Contrairement aux processus observés dans les supraconducteurs, où tous les électrons du matériau se déplacent sans résistance, le flux formé aux « états limites » ne se produit qu’aux limites du matériau. De tels états quantiques n’existent que pendant des femtosecondes et à des distances allant jusqu’à des fractions du nanomètre, ce qui les rend extrêmement difficiles à étudier avec les méthodes conventionnelles.
Pour tenter d'observer le phénomène décrit ci-dessus, mais au niveau atomique, où l'échelle du temps et de l'espace est de l'ordre de la milliseconde et du micron, une équipe de physiciens du Massachusetts Institute of Technology a mené une expérience dans laquelle ils ont refroidi environ millions d’atomes de sodium à des températures proches du zéro absolu et à l’aide d’un système laser, il a imité les conditions d’un espace bidimensionnel et a également créé un « mur » de lumière laser. Il a été constaté que ces atomes se déplaçaient librement le long des limites de l’anneau optique, évitant les obstacles sans subir de friction ou de diffusion. Ce comportement est généralement caractéristique des électrons dans des « états limites » théoriques, mais cette expérience est la première à confirmer ce phénomène au niveau atomique. Les observations scientifiques des atomes ont confirmé le même comportement attendu pour les électrons. Leurs résultats ont démontré que l’arrangement atomique constitue un moyen fiable d’étudier le comportement des électrons dans les « états limites ».
Le flux de particules s'est poursuivi même lorsque les chercheurs ont placé un obstacle sur leur chemin sous la forme d'un point de lumière qu'ils ont utilisé pour éclairer l'extrémité de l'anneau laser d'origine. Face à cet obstacle, les atomes n’ont pas ralenti ni s’envoler, mais l’ont plutôt dépassé sans subir de friction, a écrit futurist.bg.
« Il s'agit d'une implémentation très propre d'un très bel élément de physique, et nous pouvons démontrer directement l'importance et la réalité de cette fonctionnalité », explique Richard Fletcher, co-auteur de l'étude et professeur agrégé au Département de physique du MIT. « La progression naturelle consiste désormais à introduire davantage d'obstacles et d'interactions dans le système, ce qui rend de plus en plus flou à quoi s'attendre. »
Les résultats obtenus ouvrent de nouveaux horizons pour la recherche et l’application de « cas limites » dans divers domaines scientifiques et technologiques. Par exemple, ils pourraient être utilisés pour créer de nouveaux types de transistors qui fonctionneraient selon des principes radicalement différents de ceux des appareils électroniques modernes. Cela pourrait conduire à la création d’ordinateurs et d’autres appareils électroniques plus puissants et plus économes en énergie.
Cette découverte pourrait également constituer une étape importante vers le développement de matériaux capables de supporter le flux sans entrave de l’énergie, révolutionnant potentiellement l’énergie et les transports. Les chercheurs prévoient de mener des expériences supplémentaires pour explorer davantage la physique de ces « états limites » et la manière dont ils sont mis en œuvre dans des systèmes réels.
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