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Des physiciens de l’Université de Toronto découvrent de nouvelles lois qui gouvernent le « développement biologique des matériaux »

by CIFAR avr. 25 / 16

Quand un atome en rencontre un autre pour la première fois, la nature précise de l’interaction peut décider beaucoup de choses quant aux types de propriétés physiques et de comportements qui s’ensuivront.

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Prof. Joseph Thywissen

Dans un article publié aujourd’hui dans Nature Physics, une équipe dirigée par le physicien Joseph Thywissen (Université de Toronto) a signalé la découverte d’un nouvel ensemble de règles relatives à un type particulier d’interaction entre deux atomes. Les chercheurs étudient les interactions entre des atomes qui ont été refroidis à une température près du zéro absolu.

« Les atomes ultrafroids sont les cellules souches de la science des matériaux », dit Thywissen, professeur de physique à l’Université de Toronto et Boursier au sein du programme Matériaux quantiques de l’Institut canadien de recherches avancées. « Tout comme une cellule souche peut devenir un ongle ou une cellule cardiaque selon le contexte, les atomes ultrafroids peuvent devenir des métaux, des superfluides ou d’autres types de matériaux. »

En collaboration avec les théoriciens Shizhong Zhang (Université de Hong Kong) et Zhenhua Yu (Université Tsinghua), les expérimentateurs de Toronto ont étudié les « interactions ondes P ». Le terme « ondes P » désigne la mesure dans laquelle deux atomes tournent autour l’un de l’autre – un phénomène que les physiciens appellent le « moment angulaire ».

Les chercheurs étudient ces interactions dans un environnement hautement contrôlé où ils guident quelques centaines de milliers d’atomes de gaz dans un « piège » et les refroidissent ensuite à environ -273° Celsius.

Si deux atomes se frappent de plein fouet et rebondissent en ligne droite l’un par rapport à l’autre, cela veut dire qu’ils n’ont aucun moment angulaire. Cette interaction s’appelle onde S. Mais si une paire d’atomes rebondissent l’un sur l’autre avec une seule unité de moment angulaire, l’interaction résultante s’appelle une onde P.

Les ondes P, les ondes S et d’autres types d’interaction entre une paire d’atomes sont en corrélation avec de nombreux types de propriétés physiques émergentes. On comprend certaines des règles qui gouvernent ces relations, mais celles qui concernent les ondes P ont traditionnellement défié toute explication.

« Les interactions ondes P fascinent les scientifiques, car elles confèrent aux matériaux des propriétés inhabituelles et des comportements intrigants », explique Thywissen. « Mais on a longtemps considéré que les gaz avec des interactions ondes P accusaient des pertes trop importantes pour vous permettre de voir quoi que ce soit d’intéressant. »

L’équipe de Thywissen a eu recours à une méthode appelée spectroscopie dynamique pour préparer et sonder des atomes plus rapidement qu’avant.

« Nos observations ont pris moins d’une milliseconde », dit-il. « Les études antérieures tentaient de repérer des propriétés qui nécessitaient une observation plus longue. Cela nous a permis d’observer quelque chose avant que les pertes ne deviennent trop importantes. »

Leurs expériences qui remettent en question l’orthodoxie scientifique sont davantage le fruit d’un heureux hasard que de la conviction qu’il y avait un problème avec la philosophie traditionnelle.

« On s’est mis à étudier la question, car un nouvel étudiant diplômé travaillant dans notre laboratoire ne savait pas qu’il fallait éviter les résonances de type ondes P. Il a donc mené une étude spectroscopique sur ces résonances », dit Thywissen. « La nature nous a surpris. Il y avait un magnifique signal spectroscopique d’un nouveau type de pression causée par des interactions ondes P. »

Les observations subséquentes ont déclenché une avalanche d’études parmi les physiciens théoriciens, menant à plusieurs nouveaux articles qui tentaient d’expliquer cette pression. Si ces travaux théoriques s’avèrent, ils donnent lieu à un nouvel ensemble de lignes directrices déterminant comment comprendre tout état de la matière issu d’interactions ondes P.

Ces travaux peuvent rehausser la compréhension des scientifiques quant à l’origine des propriétés des matériaux. En outre, cela pourrait permettre la création et l’étude de nouveaux matériaux aux propriétés très inhabituelles, voire très précieuses.

Les ondes P, par exemple, sont en corrélation avec des formes inhabituelles de supraconductivité et de superfluidité où les particules circulent sans résistance. Depuis des années, de tels matériaux constituent une énigme pour les scientifiques.

« Quand les supraconducteurs et les superfluides sont faits de paires d’ondes P, ils devraient aussi compter un courant porté par des états de bord –, mais des études d’observation révèlent que ces courants sont absents ou extrêmement faibles. Nous ne comprenons pas le phénomène », explique Thywissen. « Nous espérons que les nouvelles relations que nous avons découvertes nous aideront à mieux comprendre ce qui se passe. »

Thywissen et ses collaborateurs conçoivent déjà de nouvelles expériences pour ajuster et peaufiner l’environnement en vue de rehausser d’autant plus notre compréhension des mécanismes en jeu dans l’émergence des propriétés des matériaux.

« Même si cette expérience semble aujourd’hui complexe, nous continuerons à repousser les frontières de ce qui peut être réalisé en laboratoire », ajoute Thywissen. « Nous ne savons jamais ce que nous allons trouver, mais nous avons toujours espoir de découvrir quelque chose de ce genre. C’est extrêmement palpitant. »

On peut trouver une explication complète de la découverte dans l’étude « Evidence for universal relations describing a gas with p-wave interactions », publiée aujourd’hui dans la revue Nature Physics. En plus de Thywissen, Zhang et Yu, l’équipe de recherche compte les doctorants Christopher Luciuk et Scott Smale, ainsi que le stagiaire postdoctoral Stefan Trotzky (tous de l’Université de Toronto).

This story was originally published by the University of Toronto.