Pourquoi les physiciens trouvent-ils de nouveaux états de la matière?

Ah, oui, les trois états de la matière: solides, liquides et gaz. Quelle façon simple de comprendre notre monde physique.

Bien sûr, si vous vous souvenez d’un peu de science au lycée, vous vous souvenez probablement d’un quatrième état de la matière, le plasma. Et si vous payez attention aux nouvelles scientifiques, vous en avez probablement entendu parler, Condensats de Bose-Einstein. Donc, cinq états de la matière.

Mais qu’en est-il de la matière dégénérée? Supraconducteurs topologiques? Cristaux du temps? Oui, ce sont des états légitimes (ou phases; les termes sont interchangeables) de la matière, bien que ceux que nous ne rencontrerions pas dans notre vie quotidienne.

En réalité, les physiciens connaissent de nombreux états de la matière–le nombre est probablement par milliers. Et ils continuent d’en trouver de nouveaux. Tvoici probablement des millions d’états potentiels à trouver.

Pour un physicien, les aimants de notre réfrigérateur sont une matière différente de celle du réfrigérateur lui-même. Un verre à vin et l’étagère en bois sur laquelle il repose représentent également deux états différents de la matière.

Un état de la matière se réfère simplement à la façon dont les atomes ou les particules constituantes sont ordonnés. Et cet ordre donne naissance à différentes propriétés. Dans un solide, par exemple, les molécules sont disposées dans une structure en treillis qui confère la rigidité du matériau. Dans un liquide, les molécules circulent entre elles, mais elles ne peuvent pas facilement se rapprocher ou s’éloigner les unes des autres comme elles le pourraient dans un gaz. Et dans un plasma, les molécules circulent comme dans un gaz, mais leurs électrons se déplacent librement, ce qui lui permet de conduire facilement l’électricité.

Il existe d’innombrables façons d’arranger la matière. Par exemple, il y a 230 groupes d’espace,»Ou comment les molécules peuvent être arrangées pour former des structures cristallines tridimensionnelles dans un solide. Chacun d’eux est sa propre forme de matière. Et selon la façon dont leurs électrons sont disposés, chacun de ces 230 peut être un conducteur ou un isolant, ce qui en ferait également une forme de matière différente.

Et lorsque les températures deviennent très chaudes ou très froides et que les pressions sont extrêmes, la matière normale peut se déformer en états exotiques aux propriétés sauvages. À l’intérieur étoiles à neutrons, par exemple, les noyaux peuvent être condensés en un type de ce que l’on appelle la matière dégénérée, où les électrons et les protons sont forcés ensemble pour former des neutrons, ou encore plus loin dans un plasma quark-gluon composé uniquement de particules fondamentales. De l’autre côté du spectre, lorsque les molécules sont à des températures proches du zéro absolu, la mécanique quantique commence à devenir visible à l’échelle macroscopique. Les condensats de Bose-Einstein se forment lorsque les collections d’atomes sont refroidies près du zéro absolu et commencent à agir comme si elles étaient un seul atome. Cela leur donne des propriétés uniques, comme un manque total de viscosité, ce qui signifie que vous pouvez y faire de minuscules tourbillons qui tourbillonneront pour toujours.

Une partie de la raison pour laquelle nous continuons à trouver de nouveaux états de la matière, a déclaré Jasper van Wezel, professeur agrégé de théorie de la matière condensée à l’Université d’Amsterdam, est simplement qu’il y en a tellement à trouver.

« Il y a toutes ces propriétés d’atomes ou de molécules ou tout ce que vous pouvez utiliser pour les commander », a-t-il déclaré à Gizm.odo. « Il faut juste du temps pour passer par toutes les possibilités. »

Au fur et à mesure que la technologie s’est améliorée, nous avons également pu effectuer des expériences dans des conditions plus extrêmes et avec une plus grande précision.

Nous pouvons maintenant voir, par exemple, que les particules dans divers matériaux ont des spins différents. Le spin est une propriété intrinsèque aux particules, et c’est ce qui crée le magnétisme.

« Dans les années 1950, vous mesuriez simplement la magnétisation et disiez: « Regardez, ce sont tous les deux magnétiques – je peux les coller tous les deux sur le frigo,« Et c’est tout », a déclaré van Wezel.. « Mais maintenant, nous avons des outils pour aller dans le matériau et examiner chaque rotation individuelle, et nous pouvons dire: » Leh bien, ils sont tous les deux magnétiques, mais dans celui-ci, un tour sur trois tourne, et dans celui-ci, ce n’est pas le cas, donc ils sont différents. »

Avec cette nouvelle connaissance, les physiciens pourraient être en mesure de manipuler ces spins pour créer des matériaux entièrement nouvelles propriétés.

La possibilité de trouver différentes façons d’utiliser la matière est également une raison pour laquelle les physiciens sont tellement obsédés par la recherche de nouvelles phases et pourquoi les nouvelles peuvent être si excitantes.

« Chaque fois que nous découvrons une nouvelle phase de la matière, cela nous donne un ensemble de propriétés qui auraient été inconcevables avec n’importe quelle phase antérieure de la matière », a déclaré Kaden Hazzard, professeur adjoint au département de physique de l’Université Rice. « Si vous n’avez que des liquides, et quelqu’un vous tend une brique, tout d’un coup vous avez la capacité de résister à des choses auxquelles vous ne pouviez pas résister auparavant. « 

Lorsque certains matériaux sont refroidis à des températures très basses, par exemple, ils peuvent devenir supraconducteurs, ce qui signifie qu’ils transmettent des courants électriques avec une résistance nulle. L’application à l’échelle commerciale pourrait signifier des lignes électriques qui acheminent l’électricité vers votre maison avec peu de pertes ou des ordinateurs beaucoup plus efficaces.

Un état de matière récemment découvert, connu sous le nom de supraconducteur topologique, agit comme un isolant électrique à l’intérieur, mais il est conducteur autour de ses bords. Celles-ci des capacités uniques pourraient être mises à profit dans ordinateurs quantiques pour protéger les qubits fragiles qui stockent les informations.

Il existe également des propriétés intéressantes de la matière que nous n’avons pas encore découvertes, mais qui, selon les physiciens, devraient exister. Supraconducteurs à température ambiante, par exemple, ont longtemps été considérés comme le Saint Graal de la physique de la matière condensée. Un tel matériau révolutionnerait la façon dont nous utilisons l’électricité (donc, à peu près tout).

Un autre type de physiciens de la matière est à la recherche d’un liquide appelé spin quantique. Dans un liquide à spin quantique, les spins de ses particules commencent à s’influencer mutuellement, d’une manière qui se traduit par des propriétés magnétiques inattendues. Ce type de matière pourrait conduire à de meilleurs ordinateurs quantiques et même aider à créer dessupraconducteurs de température.

Au lieu de rechercher des matériaux qui devraient exister sur la base de la théorie, les physiciens doivent aussi parfois faire l’inverse: essayer d’expliquer pourquoi quelque chose qu’ils ont créé agit d’une manière qu’ils n’auraient jamais cru possible.

Le meilleur exemple de cela est peut-être quelque chose appelé le quantique fractionnel Htout effet. Imaginez un tas d’électrons se déplaçant dans un champ magnétique sur un matériau 2D. La charge associée au système doit simplement être e, la charge portée par les électrons. Mais lorsque les scientifiques l’ont mesuré, ils ont découvert que la charge était exactement e divisé par trois.

« Cela a sidéré l’expérimental (communauté), parce qu’il n’y a rien là-dedans avec une charge inférieure à e« , A déclaré Hazzard à Gizmodo. Il a comparé à jeter un tas de boules de billard sur une table de billard et les regarder tomber à travers les poches, et, en quelque sorte, les boules en mouvement ne pèsent qu’un tiers de ce qu’une balle de billard pèse normalement.

Cela semble absurde quand on parle de boules de billard, mais les choses sont différentes au niveau quantique. Il s’avère que lorsque les électrons se déplacent ensemble, leur mouvement les fait agir comme s’ils portaient un tiers de la charge qu’ils font réellement. Cela signifie également que les électrons sont devenus un tout nouvel état de la matière.

De telles découvertes font de la recherche de formes de matière une sorte de chasse au trésor pour les physiciens. Des propriétés plus inattendues existent sûrement enfouies dans les lois de la physique. Ils n’attendent que la bonne disposition des particules et la confluence des états physiques pour surgir, nous accordant une fois de plus des capacités dont nous n’avions jamais rêvé auparavant.