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LES MATÉRIAUX

 


 

 

 

 

 

Les matériaux

Depuis l’âge de pierre, les matériaux font partie du quotidien et de l’histoire de l’Homme. Au fil du temps, ils sont devenus plus résistants, plus intelligents pour conférer aux objets qui nous entourent de nouvelles fonctionnalités. Découvrez les grandes familles de matériaux, la démarche scientifique associée à la conception d’un nouveau matériau et les enjeux des matériaux dans les domaines de l’environnement, de l’énergie, de la santé et des technologies de l’information et de la communication.

QU’EST-CE QU’UN MATÉRIAU ?

Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle que l’Homme utilise et/ou conçoit pour fabriquer des objets, construire des bâtiments ou des machines.
*         Les matériaux sont différenciés selon leur provenance (issus d’êtres vivants par exemple) et leurs propriétés, qu’elles soient mécaniques (flexibilité ou rigidité…), chimiques (perméabilité ou imperméabilité à l’eau…) ou encore physiques (conductivité de l’électricité ou de la chaleur…). 
Ils sont généralement classés en différentes grandes familles :
*        
    *         Les matériaux métalliques qui regroupent les métaux : fer, cuivre, bronze et les alliages métalliques : acier inoxydable
    *         Les matériaux organiques qui sont issus d’êtres vivants, plantes ou animaux (bois, coton, papier…)
    *         Les matériaux minéraux ou inorganiques : roche, céramique, verre.
    *         Les matériaux plastiques, qui, en général proviennent de combustibles dits fossiles se trouvant dans le sol, comme le pétrole par exemple.
    *         Les matériaux composites qui combinent plusieurs matériaux de famille différente pour obtenir de multiples propriétés (exemple : fibre de carbone).
    *                 
        
Les matériaux composent tous les objets qui nous entourent. Le choix des matériaux qui constituent un objet dépend des besoins et propriétés voulues pour l’objet.  La combinaison de certains matériaux permet de combiner plusieurs propriétés. Ainsi, le béton armé, constitué de béton et d’acier, permet de réaliser des constructions qui pourront supporter d’importantes charges (caractéristique du béton) mais aussi des efforts de traction (caractéristique de l’acier).
Notions clés
*        
    *         Il existe différentes familles de matériaux : métalliques, organiques, minéraux, plastiques et composites.
    *         La conception de nouveaux matériaux répond à différents enjeux. En santé, ils sont utilisés pour suivre, diagnostiquer ou soigner les patients. Dans le domaine de l'énergie, ils permettent de récupérer, stocker et générer plus d’énergie. Dans le domaine des technologies de l’information, ils permettent une meilleure communication des objets entre eux.
    *         Enfin, les matériaux s’inscrivent dans une démarche de développement durable en prenant en compte, dès leur conception, leur recyclage mais aussi en économisant de la matière et de l’énergie.   

    

L’HOMME CRÉATEUR DE MATÉRIAUX DEPUIS L’ÂGE DE PIERRE


Depuis toujours, les matériaux ont joué un rôle clé dans la société humaine. Dès l’âge de pierre, l’Homme taille le silex pour créer ses premiers outils. Lorsque le cuivre et le bronze sont découverts, de nouveaux usages naissent et viennent changer les modes de vie. Au fur et à mesure des découvertes et conception de nouveaux matériaux, l’Homme fait évoluer ses outils, ses constructions, ses modes de vie, et ses besoins.  

       

                                                                                                   
COMMENT SE CONÇOIVENT LES MATÉRIAUX ? 

  
Du laboratoire à l’industrie
La recherche et le développement dans le domaine des nouveaux matériaux sont importants car ils conditionnent en grande partie les avancées scientifiques et les innovations technologiques de demain. Les matériaux sont souvent la clé de l’essor d’une technologie. Par exemple, la démocratisation des téléphones et ordinateurs portables a été permise en partie grâce aux efforts de recherche et développement menés sur les matériaux des batteries de recharge de ces appareils.         

        Pour concevoir un nouveau matériau, les ingénieurs et chercheurs vont d’abord commencer à dresser le « portrait-robot » type du matériau à partir de l'analyse des besoins et des attentes des industriels et consommateurs finaux. Ils conçoivent ainsi un cahier des charges avec les propriétés voulues pour le matériau : ce dernier doit-il être résistant ? Doit-il supporter des hautes températures ? Doit-il conduire l’électricité ?... Outre les propriétés recherchées pour le matériau, les scientifiques doivent considérer d’autres facteurs tels que le budget de conception et de réalisation du matériau, les matières premières à utiliser et leur disponibilité, l’impact de la fabrication du matériau sur l’environnement et penser au devenir du matériau en fin de vie.
*         
Après avoir défini le cahier des charges, les scientifiques vont chercher à réaliser le matériau par différentes voies (procédés de synthèse chimique, procédés de cuisson, procédé de fabrication additive…). Cette démarche nécessite au préalable un travail théorique d’analyse des connaissances scientifiques et techniques actuelles, complété par des modélisations et simulations numériques du matériau. Ces modèles numériques, réalisés à l’aide d’ordinateurs ou de supercalculateurs, permettent de prévoir en amont les propriétés et le comportement sur le long terme du matériau. Durant les différentes phases de conception et de réalisation du matériau, des expériences de caractérisation physique et chimique sont effectuées pour vérifier l’adéquation entre la théorie, les modèles prédits numériquement et la réalité physique. 
Enfin, lorsque le matériau est fabriqué à l’échelle du laboratoire, il reste encore quelques étapes avant une mise en œuvre industrielle. Celle-ci doit en effet  intégrer de nouvelles contraintes liées à une fabrication en série tout en conservant les performances du matériau.

        
fabrication additive Zoom sur... La fabrication additive : des matériaux imprimés en 3D
La fabrication additive consiste à créer un objet couche par couche, à partir d’un modèle réalisé par ordinateur. Elle s’oppose aux méthodes traditionnelles, dites « soustractives », qui permettent de façonner une pièce dans un bloc de matière.
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*         Pourquoi la fabrication additive suscite-t-elle autant d’intérêt ? Le premier avantage de ce mode de fabrication, à partir d’imprimantes 3D, est la liberté de conception géométrique. A cet avantage, s’ajoute celui des propriétés physico-chimiques. Les pièces étant conçues couche par couche, il est possible d’attribuer à l’une d’elle certaines propriétés et d’autres à sa voisine. Enfin, les technologies d’impression 3D pourraient permettre, en théorie, d’économiser les ressources en matières premières, dans la mesure où elles évitent la génération de chutes de matériaux, inévitables lorsqu’une pièce est usinée de façon soustractive à partir d’un plus gros bloc.
    *         Pour aller plus loin sur le sujet de la fabrication additive, lire le décryptage "Comment la fabrication additive peut-elle accompagner nos grandes transitions ?"
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*         LES ENJEUX DES NOUVEAUX MATÉRIAUX                         
Fabriquer des matériaux plus respectueux de l’environnement et recycler les matériaux 
L’enjeu commun à toutes les recherches actuelles menées sur les matériaux est le développement durable. L’objectif est d’intégrer, dès le départ, dans les étapes de fabrication du matériau une optimisation de l’efficacité et du coût énergétique des procédés, une économie et un recyclage des matières premières, une réduction des déchets ultimes et de l’impact sur la santé de l’Homme et sur l’environnement. L’objectif est également de créer des matériaux recyclables voire, dans certains cas, biodégradables.
Cet enjeu est représenté par la stratégie des  « 3 R » :
*        
    *         Réduire, dès la production, la quantité de ressources susceptibles de finir en déchets (par exemple, limiter les emballages…).
    *         Réutiliser les produits usagés constitués de matériaux pour leur donner une deuxième vie. (Par exemple, collecte des téléphones portables qui sont ensuite reconditionnés et revendus).
    *         Recycler les matériaux en mettant en œuvre une filière de retraitement avec un tri sélectif des matériaux afin de les transformer en nouvelles matières premières qui pourront être réutilisées pour fabriquer de nouveaux matériaux.

*         Le saviez-vous ? 
En plus d’être respectueux de l’environnement, certains matériaux ont été créés pour dépolluer l’environnement. Ainsi, certains matériaux disposant de membranes poreuses permettent la dépollution des eaux.


La chimie verte, inspirée du concept de développement durable, peut aider à concevoir des matériaux plus facilement recyclables. Ainsi, les scientifiques cherchent désormais à limiter la production de matériaux issus du pétrole, en utilisant des matériaux biosourcés, à partir d’autres matières premières que des hydrocarbures, tout en conservant les propriétés des plastiques. Par exemple, des plastiques, produits à partir de molécules issues de l’huile de ricin ou encore de déchets viticoles, composent des parechocs. 

Les enjeux des matériaux pour la santé
En matière de santé, les nouveaux matériaux peuvent être utilisés sous forme de pansements ou de textiles chirurgicaux. Ils peuvent également avoir pour finalité d’être utilisés à l’intérieur du corps. Dans ce cas, ils doivent être tolérés par l’organisme mais aussi résister sur le long terme à un milieu chimiquement évolutif.
Ces matériaux supportés par l’organisme sont appelés les biomatériaux. L’enjeu principal de la recherche pour ces matériaux est d’obtenir une bonne adaptation de l’organisme à l’introduction du biomatériau (implant, prothèse, …) et une réponse appropriée en vue des fonctions déficientes à restaurer. Par exemple, des matériaux à mémoire de forme peuvent être utilisés (matériaux qui ont la capacité de mémoriser une forme initiale même après une déformation) pour la composition des stents, appareils médicaux qui permettent d’éviter aux artères de se boucher à cause des caillots de sang.
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Les enjeux des matériaux pour l’énergie
Au cœur du processus d’innovation des systèmes énergétiques, les matériaux du futur devront répondre à des spécifications toujours plus exigeantes en termes de sûreté, d’économie d’élaboration, de résistance, de durabilité, d’impact environnemental et de capacité de recyclage.

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Module photovoltaïque avant/après délamination par CO2 supercritique. Ce procédé permet de séparer les différentes couches de matériau en vue de leur recyclage. La photographie illustre le gonflement des phases polymères après moussage en CO2 supercritique. © Y. Caudic / CEA

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Dans le domaine du nucléaire où les installations sont conçues pour du très long terme (plusieurs dizaines d’années d’exploitation), certains composants tels que la cuve du réacteur ne peuvent pas être remplacés. Il s’avère donc nécessaire de développer une science prédictive du comportement des matériaux sur des temps longs.
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Concernant les matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie, plusieurs axes d’amélioration sont explorés. Les matériaux de demain pour le photovoltaïque devront entre autres permettre d’augmenter le rendement des cellules photovoltaïques tout en abaissant leur coût.
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Les enjeux des matériaux pour les nouvelles technologies de l’information et de la communication
Les nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC) se développent rapidement depuis la fin des années 90. Toujours plus petits, performants et intelligents, les composants de ces technologies nécessitent des nouveaux matériaux aux propriétés multiples et complémentaires.
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L’enjeu est de miniaturiser les dispositifs tout en augmentant leurs performances et en multipliant les fonctions. Les structures complexes sont généralement réalisées à partir de motifs à l’échelle du nanomètre (1 nanomètre est égal à un milliardième de mètre, 1 000 fois plus fin qu’un cheveu) qui permettent d’associer des matériaux de nature différente pour allier leurs propriétés physiques. 

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Ces nouvelles avancées permettent aussi la création de matériaux comme des textiles connectés pour surveiller en temps réel les performances sportives ou bien des textiles intelligents qui peuvent transmettre des données et réagir en fonction des informations reçues. Par exemple, certains textiles réagissent à l’absence de lumière et s’illuminent.

 

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La radioprotection

 

 

 

 

 

 

 

L'HOMME ET LES RAYONNEMENTS

La radioprotection

Pour protéger la population et les travailleurs, des mesures ont été fixées à l’échelle internationale et nationale.

Publié le 1 juillet 2014

LES RÈGLES DE RADIOPROTECTION
La radioprotection est un ensemble de mesures destinées à assurer la protection sanitaire de la population et des travailleurs.

Trois règles de protection contre toutes les sources de rayonnements sont :
*         s’éloigner de la source de rayonnements, car leur intensité diminue avec la distance ;
*        
*         mettre un ou plusieurs écrans entre la source de rayonnements et les personnes (par exemple, dans les industries nucléaires, de multiples écrans protègent les travailleurs. Ce sont des murs de béton, des parois en plomb et des verres spéciaux chargés en plomb) ;
*        
*         diminuer au maximum la durée de l’exposition aux rayonnements.


Ces mesures de radioprotection peuvent être comparées à celles que l’on prend contre les ultraviolets : utilisation d’une crème solaire qui agit comme un écran et limitation de l’exposition au Soleil.

Le “dosimètre” permet de mesurer la quantité de rayonnements auquel le travailleur est soumis.
© CEA/A. Gonin


Pour les sources radioactives émettant des rayonnements, deux autres recommandations sont à ajouter aux précédentes :

*         attendre, quand cela est possible, la décroissance naturelle radioactive des éléments ;
*        
*         utiliser la dilution lorsque l’on a affaire à des gaz radioactifs.

Par exemple, les installations nucléaires ne sont pas démantelées aussitôt après leur arrêt, de façon à attendre une diminution de l’activité des zones. Dans les mines d’uranium souterraines, une ventilation très efficace permet de maintenir une faible concentration de radon dans l’air que respirent les mineurs.

Les travailleurs pouvant être soumis à des rayonnements ionisants lors de leur activité (industries nucléaires, médecins, radiologues…) portent dosimètres, gants, ceintures, bague qui mesurent la quantité de rayonnements auxquels ils ont été soumis. Ces dispositifs permettent de s’assurer que la personne n’a pas reçu une dose supérieure à la norme tolérée ou d’en mesurer la localisation et l’importance.

Plusieurs commissions indépendantes ont amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses.

LES NORMES INTERNATIONALES DE RADIOPROTECTION
La prise de conscience du danger potentiel d’une exposition excessive aux rayonnements ionisants a amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses. Ces limites correspondent à un risque supplémentaire minime par rapport au risque naturel, qui le rend donc acceptable.
*         Depuis 1928, la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) rassemble des médecins, physiciens, biologistes… de tous pays. Cette autorité scientifique indépendante émet des avis précieux en matière de radioprotection, pour les réglementations propres à chaque État.
*        
*         L’UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) réunit des scientifiques représentant 27 nations. Il a été créé en 1955 au sein de l’ONU pour rassembler le maximum de données sur les niveaux d’exposition dus aux diverses sources de rayonnements ionisants et leurs conséquences biologiques, sanitaires et environnementales. Il établit un bilan régulier de ces données, mais également une évaluation des effets en étudiant les résultats expérimentaux, l’estimation des doses, les données humaines.
*        
*         Au niveau européen, l’Union européenne reprend ces avis dans ses propres normes ou directives.

Les normes légales de radioprotection donnent :
*         une limite de dose efficace de 1 mSv/an pour la population et de 20 mSv/an en moyenne sur 5 ans pour les personnes directement affectées aux travaux sous rayonnements ionisants (industrie nucléaire, radiologie médicale) ;
*        
*         une limite de dose équivalente (organe) de 150 mSv pour le cristallin (œil) et 500 mSv pour la peau et les mains.

Le législateur divise par 20 les doses admissibles des travailleurs pour la population car il considère que celle-ci comporte des sujets de tous âges, de tous états de santé et qui ne sont pas si bien suivis médicalement…


AU NIVEAU NATIONAL
En France, c’est l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), autorité administrative indépendante, créée en 2006, qui a en charge le contrôle de la sûreté et de la radioprotection. L’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), appui technique de l’ASN, est placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Défense, de l’Environnement, de l’Industrie, de la Recherche et de la Santé. Il a été créé en février 2002 par la réunion de l’Institut de protection et de sûreté nucléaire (IPSN) et de l’Office de protection contre les rayonnements ionisants (OPRI).
L’IRSN réalise des recherches, des expertises et des travaux dans les domaines de la sûreté nucléaire, de la protection contre les rayonnements ionisants, du contrôle et de la protection des matières nucléaires, et de la protection contre les actes de malveillance.

 

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La supraconductivité et ses applications

 


 

 

 

 

 

La supraconductivité et ses applications

Publié le 7 septembre 2016

Découvert en 1911, le phénomène de supraconductivité continue de fasciner et trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans les domaines de la santé, de l’énergie, des transports, des instruments de recherche pour l’analyse chimique et structurale (analyse RMN) ou encore des grands accélérateurs pour étudier les particules élémentaires.
QU’EST-CE QUE LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?

À l’état supraconducteur, un matériau refroidi à très basse température acquiert la capacité de conduire parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie. De même, à l’état supraconducteur, les matériaux possèdent la propriété d’expulser totalement le champ magnétique qui les entoure, ce qui peut se manifester par des effets spectaculaires de lévitation magnétique.


Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par le physicien Heike Kammerlingh Onnes. Traduit par des propriétés électriques, magnétiques et quantiques spécifiques, il apparaît lorsque l’on refroidit certains métaux ou alliages à très basses températures, proches du zéro absolu, 0 kelvin soit - 273,15 °C. Appelée température critique (Tc), la température à laquelle le matériau devient supraconducteur dépend de la composition chimique de celui-ci. Pour la plupart des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, elle se situe entre 1 et 33 kelvins (soit entre - 272 et – 240°C), ce qui nécessite un refroidissement à l’hélium liquide, voire au-delà.

Depuis 1986, des oxydes de cuivre ou cuprates, appelés supraconducteurs à haute température critique (haut-Tc) ou supraconducteurs non conventionnels, peuvent être refroidis à l’azote liquide (à 77 K soit - 196°C). Dans les conditions usuelles, ce sont les cuprates de mercure qui détiennent actuellement le record de température critique : 135 K (- 138°C). En 2008, des scientifiques ont réussi à synthétiser une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique : les pnictures (Tc = 55K, soit - 218°C). Possédant des propriétés différentes des cuprates, ces matériaux suscitent également beaucoup d’intérêt depuis leur découverte. Enfin, sous très haute pression (1,5 mégabar, soit la moitié de la pression au centre de la Terre), le sulfure d'hydrogène (H2S) devient supraconducteur en dessous de la nouvelle température de -70° C.

QUELLE EST L’ORIGINE DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?
La supraconductivité est un phénomène quantique collectif. C’est une des manifestations possibles, et perceptible à notre échelle, du comportement quantique de la matière.
Dans les matériaux supraconducteurs classiques, les électrons se regroupent par paires (dites paires de Cooper), en interagissant avec les atomes présents autour d’eux. Ils forment alors une vague collective. Cette vague électronique se propage comme une onde, sans subir de collision avec les défauts présents dans la matière, ce qui permet de conduire du courant électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène ne peut se produire qu’à basse température lorsque les atomes du matériau ne vibrent pas trop (sinon les paires d'électrons se scindent et la résistance électrique du matériau réapparait).

EXEMPLES D’APPLICATIONS
DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ

La compréhension et la maîtrise des principes de la supraconductivité est à l’origine de nombreuses applications. L'absence de résistance du matériau supraconducteur d'une bobine électrique permet en particulier de générer des champs magnétiques très intenses (plusieurs teslas). L’IRM, qui a révolutionné le diagnostic médical et la compréhension du cerveau, nécessite des champs magnétiques intenses qui peuvent être obtenus grâce à la maîtrise de ce phénomène ; les transports, les télécommunications, l’électronique, l’informatique,… peuvent également exploiter ses propriétés. En outre, sans supraconducteurs, les très grands instruments de recherche tels que l’accélérateur de particules LHC aujourd’hui, ou Iter demain, ne pourraient voir le jour.

Imagerie médicale

S’il est un domaine dans lequel la supraconductivité a joué un rôle essentiel, c’est celui de l’imagerie médicale. La technologie de l’IRM, outil de diagnostic et de recherche désormais incontournable, est en effet une retombée directe des recherches menées sur le sujet. Spécifiquement, la base d’une IRM est de créer un champ magnétique très fort et homogène sur un volume suffisant afin qu'une proportion significative des protons de l’eau du corps du sujet (quelques protons par million) ait un "axe de rotation sur eux-mêmes" aligné. Cette première difficulté technologique, est résolue avec la supraconductivité, qui permet de disposer de champs magnétiques intenses, stables et uniformes.
Outre l’IRM haut champ, la supraconductivité intervient dans la fabrication des capteurs magnétiques qui sont à la base d’autres techniques d’imagerie médicale : l’IRM bas champ (où, au lieu de renforcer la polarisation par un champ magnétique très intense, on utilise un capteur très sensible), la magnétoencéphalographie (MEG) et la magnétocardiographie (MCG).

Les très grands instruments de recherche
La supraconductivité joue aujourd’hui un rôle prépondérant dans la conception et la réalisation des très grands instruments dédiés à l’exploration de la matière. Employée dans les accélérateurs de particules pour développer les électroaimants supraconducteurs qui dévient et focalisent les faisceaux, elle intervient également dans le domaine des cavités radiofréquence (RF) qui génèrent le champ électrique qui accélère les particules chargées au centre du faisceau.
L’emploi de matériaux supraconducteurs a un triple avantage :  
*         l’absence de résistivité des supraconducteurs, qui évite toute dissipation d’énergie, permet de gagner en puissance sans augmenter la consommation de l’installation ;
*         grâce à l’annulation de l’effet joule (échauffement dû à la résistivité du matériau), il devient possible de faire passer de grandes densités de courant dans des bobinages très compacts. La densité alliée à la compacité permettent d’obtenir des champs magnétiques beaucoup plus élevés ;
*         la supraconductivité permet de générer des champs magnétiques très puissants, pouvant atteindre jusqu’à 20 teslas.

Fusion nucléaire
La supraconductivité trouve également des applications dans le domaine de la fusion nucléaire. L’une des pistes étudiées pour tenter de reproduire sur Terre l’énergie des étoiles repose sur la conception d’une machine appelée sous son acronyme russe « Tokamak ».
En forme d'anneau (ou « tore »), les particules qui y sont injectées subissent des champs magnétiques si intenses qu’elles restent fortement confinées dans la partie centrale de l’anneau, sans contact avec les parois et peuvent ainsi provoquer des réactions de fusion. Pour produire de tels champs, on utilise des bobines réalisées à partir de matériaux supraconducteurs.

OÙ EN EST LA RECHERCHE SUR LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?
Si les mécanismes à l’origine de la supraconductivité dans la majorité des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, sont élucidés depuis longtemps et bien compris, ce n’est pas le cas des supraconducteurs à haute température critique (cuprates et pnictures). Il s’agit d’un des principaux sujets de recherche actifs dans le domaine de la supraconductivité qui oblige les physiciens à élaborer de nouveaux matériaux et à inventer différentes façons de mesurer leurs propriétés ainsi que de nouveaux concepts pour les décrire.
En synthétisant de nouveaux échantillons supraconducteurs et en analysant leurs propriétés, les chercheurs espèrent percer les derniers mystères de la supraconductivité afin d’arriver à l’obtention du même phénomène à plus haute température et peut-être un jour découvrir une supraconductivité encore plus proche de la température ambiante, ce qui ouvrirait de nouveaux champs d’applications.

 

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La mécanique quantique

 


 

 

 

 

 

La mécanique quantique

Publié le 15 mai 2019

Qu'est-ce que la mécanique quantique ? Pourquoi est-elle utilisée ? A quoi sert-elle ? Où la retrouve-t-on dans notre quotidien ? Petite introduction au monde quantique.

QU’EST-CE QUE
LA MÉCANIQUE QUANTIQUE ?

A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique révolutionne notre conception du monde : les physiciens réalisent que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien macroscopique, devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. En effet, les atomes et les particules élémentaires de la matière, n’évoluent pas comme un système classique, où les quantités d’énergie échangées peuvent prendre n'importe quelle valeur. Pour un système quantique, l’énergie s’échange par valeurs discrètes ou « quanta ».
Par ailleurs, la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.
Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l'ensemble de ses composants– il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné, il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu'une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d'états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l'absorption d'un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que si l'on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.
De ces découvertes, qui forment la première révolution quantique, découlent un certain nombre d’applications encore utilisées aujourd’hui : les lasers, les circuits intégrés ou encore les transistors, à la base du fonctionnement des appareils électroniques notamment.

LE CHAT DE SCHRÖDINGER

Le physicien Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat « quantique », enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.
    

À QUOI SERT
LA MÉCANIQUE QUANTIQUE
AUJOURD’HUI ?
Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :
*         L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.
*        
*         La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.
*        
*         L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique.
*        
*         Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique, à l'origine des propriétés magnétiques de la matière.
*        
Des physiciens cherchent à exploiter la richesse des états quantiques et à maîtriser leur mesure dans la perspective encore lointaine d’un ordinateur quantique.


La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel,
dont l'effet tunnel est un bon exemple. © Yuvanoé/CEA


Depuis le début des années 1980, la physique quantique a pris un nouveau tournant : c’est la deuxième révolution quantique, qui se poursuit encore aujourd’hui. En 1982, le physicien Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer la réalité du principe d’intrication quantique, concept fondamental de la physique quantique. Par ce phénomène, proposé dans le courant des années 1930 par Erwin Schrödinger et Albert Einstein, les particules constituant un système sont liés, et le restent quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, pour une paire de photons, une mesure faite sur l’un modifiera instantanément l'état du second, même s'ils sont séparés d'une longue distance (le record de distance pour l'observation de l'intrication de deux photons a été atteint en 2020 dans le domaine de la cryptographie quantique : des physiciens chinois ont pu échanger un message secret sur 1 120 km). Cette propriété pourrait avoir des applications importantes dans le domaine de l’information quantique : cryptographie, téléportation de l'information ou encore l’ordinateur quantique.
Et le champ d’application de la physique quantique va bien au-delà : le formalisme de la mécanique quantique est utilisé par les chercheurs en nanosciences (chimie, optique, électronique, magnétisme, physique de l’état condensé) et par les physiciens des lois fondamentales de l’Univers (particules, noyau atomique, cosmologie).



ET DEMAIN,
LA MÉCANIQUE QUANTIQUE ?
Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la mécanique quantique :
*         l’interaction forte qui lie les composants du noyau entre eux,
*         l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité,
*         l’électromagnétisme qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques.
*        
La quatrième interaction, la gravitation, est expliquée par la relativité. Jusqu’à présent, dans les domaines d’énergie et d’espace que l’homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « quantifier » la gravitation.
De nombreux physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.

Mécanique quantique et relativité
En mécanique quantique, temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace forment une seule entité : l’espace-temps, et matière et énergie sont liées. La mécanique quantique relativiste et la notion de champ sont à la base de la "théorie des champs" qui permet de comprendre les phénomènes de physique des hautes énergies au sein des accélérateurs de particules, ou encore les phénomènes de physique de la matière condensée : supraconductivité, effet Hall quantique, ou la superfluidité.

 

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