plusieurs fermions, qui ne peuvent normalement pas occuper le même état quantique, peuvent atteindre un état connu sous le nom de condensat fermionique, où ils atteignent tous la configuration de plus basse énergie possible. Il s’agit du sixième état de la matière. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Combien d’états de la matière existe-t-il ? Quand vous étiez jeune, vous avez probablement appris les trois qui sont les plus courants dans notre expérience : solide, liquide et gaz. Tous ces états se retrouvent régulièrement à la surface de la Terre : les roches et les glaces sont des solides, l’eau et de nombreuses huiles sont des liquides, tandis que l’atmosphère que nous respirons est un gaz. Ces trois états courants de la matière sont cependant tous basés sur des atomes neutres ; des restrictions auxquelles l’Univers n’est pas lié.
Si vous bombardez n’importe quel atome avec suffisamment d’énergie, vous en expulsez les électrons, créant ainsi un plasma ionisé : le quatrième état de la matière. Mais il existe deux autres états de la matière : Les condensats de Bose-Einstein et les condensats fermioniques, les cinquième et sixième états de la matière. Pour l’instant, ils ne sont réalisables que dans des conditions extrêmes en laboratoire, mais ils pourraient jouer un rôle important dans l’Univers lui-même. Voici pourquoi.
de manière significative peut aboutir à un solide (glace) ou à un gaz (vapeur d’eau), selon la température et la rapidité de la transition. À des températures suffisamment élevées, toute la matière à base d’atomes deviendra un plasma ionisé : le quatrième état de la matière. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Ici sur Terre, tout est constitué d’atomes. Certains atomes se lient entre eux pour former des molécules ; d’autres atomes existent en tant qu’entités autonomes. Quel que soit le nombre d’atomes dans un composé chimique particulier – eau, oxygène, méthane, hélium, etc. – la combinaison des conditions de température et de pression détermine s’il s’agit d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz.
L’eau, la plus connue, gèle à basse température et à des pressions modestes, devient liquide à des pressions et/ou des températures plus élevées, et devient un gaz à des températures encore plus élevées ou à des pressions très basses. Il existe toutefois une température critique, au-dessus d’environ 374 °C (705 °F), à laquelle cette distinction disparaît. À basse pression, vous obtenez encore un gaz ; à haute pression, vous obtenez un fluide supercritique possédant des propriétés à la fois gazeuses et liquides. Passez à des températures encore plus élevées, et vous commencerez à ioniser vos molécules, créant un plasma : ce quatrième état de la matière.
parfois, si les températures/énergies des particules sont suffisamment élevées, créer un état temporaire connu sous le nom de plasma quark-gluon : où même les protons et neutrons individuels ne peuvent pas se former de manière stable. Il s’agit de l’analogue nucléaire d’un plasma plus standard, où les électrons et les noyaux ne parviennent pas à se lier pour former des atomes neutres et stables. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Bien que ce soit là que se terminent la plupart des discussions sur les états de la matière, ce n’est guère la fin de l’histoire scientifique. En vérité, c’est juste la fin de la partie atomique de l’histoire. Pour le reste, nous devons nous aventurer dans le monde subatomique : le monde des particules plus petites que l’atome. Nous avons déjà rencontré l’une d’entre elles : l’électron, qui est l’une des particules fondamentales du modèle standard.
Les électrons sont les particules chargées négativement dans les atomes qui orbitent autour du noyau atomique, ces mêmes particules qui sont éjectées à haute énergie pour former un plasma ionisé. Le noyau atomique, quant à lui, est composé de protons et de neutrons, qui sont eux-mêmes constitués de trois quarks chacun. À l’intérieur des protons et des neutrons, des gluons, ainsi que des paires quark-antiquark, sont constamment créés, détruits, émis et absorbés dans chacune de ces particules composites. C’est un monde subatomique désordonné à l’intérieur de chaque proton et de chaque neutron.
son spin, mais les gluons, les quarks et antiquarks de la mer, ainsi que le moment angulaire orbital, en font autant. La répulsion électrostatique et l’attraction de la force nucléaire forte, en tandem, sont ce qui donne au proton sa taille, et les propriétés du mélange de quarks sont nécessaires pour expliquer la suite de particules libres et composites dans notre Univers. Les protons individuels, globalement, se comportent comme des fermions, et non comme des bosons. APS/Alan Stonebraker
Voici le point clé qui nous mènera aux cinquième et sixième états de la matière : chaque particule de l’Univers, peu importe qu’il s’agisse d’une particule fondamentale ou composite, appartient à l’une des deux catégories suivantes.
- Fermion. C’est une particule qui, lorsqu’on mesure son spin (ou moment angulaire intrinsèque), obtient toujours des valeurs quantifiées en demi-entiers de la constante de Planck : ±1/2, ±3/2, ±5/2, etc.
- Boson. C’est une particule qui, quand on mesure son spin, on obtient toujours des valeurs quantifiées en valeurs entières de la constante de Planck : 0, ±1, ±2, etc.
C’est tout. Dans tout l’Univers connu, il n’existe aucune particule – fondamentale ou composite – qui entre dans une autre catégorie. Tout ce que nous avons jamais mesuré se comporte soit comme un fermion, soit comme un boson.
Le modèle obéit à toutes sortes de lois de conservation, mais il existe des différences fondamentales entre les particules et antiparticules fermioniques et les bosoniques. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Les électrons, étant des particules fondamentales avec des spins de ±½, sont évidemment des fermions. Les protons et les neutrons, qui sont constitués de trois quarks chacun, ont également des spins qui ne peuvent être que ±½, car le spin d’un quark s’opposera toujours au spin des deux autres. Cependant, si vous liez un proton et un neutron ensemble, vous créez une particule composite connue sous le nom de deutéron : le noyau atomique d’un isotope lourd de l’hydrogène appelé deutérium.
Un deutéron, qui est un fermion lié à un autre fermion, se comporte toujours comme un boson. (Pourquoi ? Parce que ±½ + ±½ ne peut être égal qu’à -1, 0 ou +1 : les valeurs de spin pour un boson). Que nous ayons affaire à des particules fondamentales ou composites, les fermions et les bosons présentent une différence essentielle les uns par rapport aux autres. Oui, leurs spins sont différents, mais cette différence entraîne une conséquence étonnante : les fermions obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui n’est pas le cas des bosons.
y compris les molécules organiques et les processus biologiques, n’est possible que grâce à la règle d’exclusion de Pauli qui régit les électrons, interdisant à deux d’entre eux d’occuper le même état quantique. Jenny Mottar
Le principe d’exclusion de Pauli est l’une des pierres angulaires clés qui a été découverte dans les premiers jours de la mécanique quantique. Il stipule que deux fermions ne peuvent pas occuper exactement le même état quantique l’un que l’autre.
Ce principe entre en jeu lorsque nous commençons à mettre des électrons sur un noyau atomique entièrement ionisé. Le premier électron va descendre dans la configuration la plus basse en énergie possible : l’état fondamental. Si vous ajoutez un deuxième électron, il essaiera également de descendre à l’état fondamental, mais constatera qu’il est déjà occupé. Pour minimiser l’énergie de sa configuration, il descend dans le même état, mais doit avoir son spin inversé : +½ si le premier électron était -½ ; -½ si le premier était +½. Tout autre électron doit aller dans un état d’énergie de plus en plus élevé ; deux électrons ne peuvent avoir la même configuration quantique exacte dans le même système physique.
correspondent à différents états au sein d’un atome d’hydrogène. En raison de la nature du spin = 1/2 de l’électron, seuls deux (états +1/2 et -1/2) électrons peuvent être dans un état donné à la fois. PoorLeno / Wikimedia Commons Mais ce n’est pas vrai pour les bosons. Vous pouvez placer autant de bosons dans la configuration de l’état fondamental que vous le souhaitez, sans aucune restriction. Si vous créez les bonnes conditions physiques – comme refroidir un système de bosons et les confiner au même endroit physique – il n’y a pas de limite au nombre de bosons que vous pouvez placer dans cet état de plus basse énergie. Lorsque vous atteignez cette configuration, de nombreux bosons tous dans le même état quantique de plus basse énergie, vous avez atteint le cinquième état de la matière : un condensat de Bose-Einstein.
L’hélium, un atome composé de deux protons, deux neutrons et quatre électrons, est un atome stable composé d’un nombre pair de fermions, et se comporte donc comme un boson. À des températures suffisamment basses, il devient un superfluide : un fluide dont la viscosité est nulle et qui ne présente aucune friction entre lui-même et tout récipient avec lequel il interagit. Ces propriétés sont une conséquence de la condensation de Bose-Einstein. Si l’hélium a été le premier boson à atteindre ce cinquième état de la matière, ce phénomène a depuis été reproduit pour des gaz, des molécules, des quasi-particules et même des photons. Il reste aujourd’hui un domaine de recherche actif.
avant (L), pendant (milieu) et après (R) la transition vers un état BEC est terminée. Le graphique montre des instantanés tridimensionnels successifs dans le temps au cours desquels les atomes se sont condensés des zones rouges, jaunes et vertes moins denses en zones bleues et blanches très denses. NIST/JILA/CU-Boulder
Les fermions, en revanche, ne peuvent pas tous être dans le même état quantique. Les étoiles naines blanches et les étoiles à neutrons ne s’effondrent pas à cause du principe d’exclusion de Pauli ; les électrons d’atomes adjacents (dans les naines blanches) ou les neutrons qui se côtoient (dans les étoiles à neutrons) ne peuvent pas s’effondrer complètement sous l’effet de leur propre gravité, à cause de la pression quantique fournie par le principe d’exclusion de Pauli. Le même principe qui est responsable de la structure atomique empêche ces configurations denses de matière de s’effondrer en trous noirs ; deux fermions ne peuvent pas occuper le même état quantique.
Comment, alors, peut-on atteindre le sixième état de la matière : un condensat fermionique ? Croyez-le ou non, l’histoire des condensats fermioniques remonte aux années 1950, avec une incroyable découverte du physicien Leon Cooper, lauréat du prix Nobel. Le terme que vous voudrez retenir porte son nom : Paires de Cooper.
Les électrons chargés vont légèrement modifier les configurations des charges positives dans le conducteur, ce qui fait que les électrons subissent une force relative légèrement attractive. Cela a pour effet qu’ils s’associent pour former des paires de Cooper, la première forme de condensat fermionique jamais découverte. Tem5psu / Wikimedia Commons
À basse température, chaque particule tend vers sa configuration d’état fondamental, la plus basse en énergie. Si vous prenez un métal conducteur et que vous abaissez suffisamment la température, deux électrons de spins opposés s’apparieront ; cette minuscule attraction fera que les électrons s’apparieront pour former une configuration moins énergétique et plus stable que si tous vos électrons se déplaçaient individuellement.
Les condensats dermioniques nécessitent des températures plus basses que les condensats de Bose-Einstein, mais ils se comportent également comme un superfluide. En 1971, il a été démontré que l’hélium-3 (avec un neutron de moins que l’hélium standard) devenait un superfluide à des températures inférieures à 2,5 millikelvins, la première démonstration d’un superfluide impliquant uniquement des fermions. En 2003, le laboratoire de la physicienne Deborah Jin a créé le premier condensat fermionique à base atomique, en tirant parti d’un champ magnétique puissant ainsi que de températures ultra-froides pour amener les atomes dans cet état recherché.
états communs de la matière, à des températures extrêmement basses, des condensats peuvent émerger, avec des propriétés physiques uniques. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
En plus des trois états standards de la matière – solide, liquide et gaz – il existe un état plus énergétique de plasma ionisé, apparaissant partout où les atomes et les molécules ont trop peu d’électrons pour être électriquement neutres. Cependant, à des températures ultra-basses, les deux classes fondamentales de particules, les bosons et les fermions, peuvent chacune se condenser ensemble de manière particulière, créant respectivement des condensats de Bose-Einstein ou des condensats fermioniques : les cinquième et sixième états de la matière.
Pour créer un condensat fermionique à partir de la matière, il faut cependant réunir des conditions extraordinaires : des températures inférieures à 50 nanokelvins avec un champ magnétique appliqué variant dans le temps. Cependant, dans les vastes abysses de l’espace, il est éminemment possible que les neutrinos (constitués de fermions) ou la matière noire (qui pourrait être constituée de fermions ou de bosons) s’agglutinent pour former leurs propres condensats. La clé pour percer l’un des plus grands mystères de l’Univers pourrait se trouver dans l’état le plus rare et le plus extrême de tous les états connus de la matière.
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