De nombreux physiciens travaillent sur les matériaux et chaque année, nous sommes impatients d'écrire sur certaines des recherches les plus passionnantes dans ce domaine. Cette année n’a pas fait exception et voici quelques-unes de nos histoires de matériaux préférées de 2023.
À une époque où de nouveaux matériaux sont conçus grâce à l’intelligence artificielle, je trouve réconfortant que nous soyons également au milieu d’un regain d’intérêt pour le bois. C’est sûrement l’un des matériaux les plus anciens utilisés par l’homme et aujourd’hui, les chercheurs du monde entier développent de nouvelles façons d’utiliser cette ressource renouvelable pour créer des matériaux passionnants. Maintenant, Isak Engquist of Laboratoire d'électronique organique de l'Université de Linköping et des collègues suédois ont construit un transistor à partir d'une planche de bois. Pour ce faire, ils ont incorporé des polymères électriquement conducteurs dans tout le matériau de manière à créer un espace pour un électrolyte conducteur ionique. Leur nouvelle technique de fabrication permet d'utiliser le bois comme modèle pour de nombreux composants électroniques, mais l'équipe admet que les transistors en bois sont loin d'atteindre les performances des appareils conventionnels. Une application possible pourrait être l’intégration de l’électronique dans des plantes vivantes – mais même s’il existe peu d’utilisations pratiques pour un transistor en bois, cela reste une astuce intéressante.
Comme le bois, l’eau est un matériau omniprésent aux propriétés extraordinaires. Contrairement à la plupart des substances, l’eau solide est moins dense que l’eau liquide, ce qui rend la vie aquatique possible sur de vastes étendues de la Terre où les températures descendent régulièrement en dessous de 0 °C. On sait que la glace se présente sous au moins 20 structures cristallines différentes. Aujourd'hui, des chercheurs chinois dirigés par Lifen Wang et Xuedong Bai du Laboratoire national de Pékin pour la physique de la matière condensée et par Laboratoire des matériaux du lac Songshan à Dongguan sont les premiers à confirmer l'existence de glace cubique, qui possède une structure diamant-cube de molécules d'eau. On pense que cette glace est responsable du halo de Scheiner, un effet optique extrêmement rare qui crée un anneau de lumière autour du Soleil à environ 28°. Ceci est différent du halo habituel de 22° provoqué par la réfraction à travers des cristaux de glace hexagonaux. L’équipe a créé de la glace cubique sur une plaque de congélation fabriquée à partir de graphène monocouche et a surveillé sa formation par microscopie électronique à transmission cryogénique. Leur technique pourrait s’avérer utile pour étudier la façon dont la glace de toutes sortes se forme sur les surfaces.
L’un des triomphes de la physique du XXe siècle est la théorie BCS de la supraconductivité, développée dans les années 20 pour expliquer pourquoi certains matériaux ont une résistance électrique nulle à très basse température. L’idée est que les électrons de ces supraconducteurs s’associent pour créer des bosons. Ces « paires de Cooper » peuvent alors se condenser pour former une substance semblable à un superfluide qui peut s’écouler sans résistance. Bien qu’il existe des preuves indirectes de l’existence de paires de Cooper, les physiciens n’avaient pas encore mesuré une corrélation négative entre les spins des électrons d’une paire – ce qui constituerait une preuve directe de l’existence d’une paire. Aujourd'hui, des physiciens de Suisse et d'Italie, dirigés par Arunav Bordoloi à l'Université de Bâle ont utilisé deux points quantiques pour extraire des paires de Cooper d'un minuscule morceau de supraconducteur. Ils ont ensuite divisé les paires et mesuré leurs polarisations de spin, constatant qu'elles pointaient généralement dans des directions opposées, comme le prédit la théorie BCS.
Il y a plusieurs décennies, lorsque j'étais à l'université, les fractales étaient à la mode – en partie grâce à la haute qualité des visualisations créées par Benoit Mandelbrot. Je suis donc toujours intéressé lorsqu’ils apparaissent dans la recherche aujourd’hui. En février, Claudio Castelnovo à l'Université de Cambridge et ses collègues du Royaume-Uni, d'Allemagne, des États-Unis et d'Argentine ont montré qu'un nouveau type de fractale se cache dans une glace de spin. Les glaces de spin sont des matériaux dont les moments magnétiques sont frustrés car ils ne peuvent pas se stabiliser dans une configuration périodique à basse température. Au lieu de cela, les instants se figent avec un degré de désordre similaire à celui que l’on retrouve dans la glace d’eau. En 2009, des physiciens ont avancé que les excitations dans certaines glaces de spin se comportaient comme des monopôles magnétiques. Castelnovo et ses collègues ont montré que ces monopôles se déplacent dans un monde fractal aux trajectoires toujours ramifiées, plutôt que d'être libres de se déplacer en 3D. L'étude des monopôles dans les glaces de spin pourrait être importante pour une multitude d'applications, déclare un membre de l'équipe Jonathan Nilsson Hallen qui est basé à Cambridge et Dresde. "Les glaces de spin sont l'un des exemples d'aimants topologiques les plus accessibles, et les monopôles magnétiques dans les glaces de spin sont l'un des exemples les mieux compris d'excitations fractionnées", dit-il.
La fourrure blanche de l'ours polaire permet de se camoufler dans le paysage enneigé de l'Arctique. Cependant, on pourrait penser qu’une blouse blanche ne réchaufferait pas les ours au soleil. Ce n’est pas le cas, car la fourrure de l’ours polaire est conçue pour canaliser la lumière du soleil vers la peau foncée de l’ours, où elle est absorbée efficacement. De plus, la fourrure retient très bien la chaleur rayonnée par la peau de l’ours, créant essentiellement un effet de serre. Maintenant, Trisha Andrew et des collègues de l'Université du Massachusetts à Amherst ont créé un nouveau tissu double couche inspiré des ours polaires qui absorbe l'énergie du soleil et de l'éclairage intérieur et la piége pour maintenir la chaleur. Lorsqu'il est exposé à une intensité lumineuse de 130 W/m2 (une triste journée d'hiver en Angleterre), il garde celui qui le porte aussi chaud qu'un tissu en coton, mais à des températures 10 °C plus froides et tout en pesant 30 % de moins. "Notre tissu ours polaire pourrait être très utile pour gérer le chauffage des locaux, qui consomme d'énormes quantités d'énergie, de manière plus économe en énergie, en chauffant les personnes à l'intérieur en utilisant l'éclairage ambiant au lieu du chauffage des pièces", explique Andrew.
Nous aimons les quasiparticules ici à Monde de la physique, nous avons donc été ravis qu’en 2023 les physiciens aient enfin détecté le « démon des Pins ». Prédit pour la première fois en 1952 par David Pins ainsi que David Böhm, cette quasi-particule est une fluctuation quantifiée de la densité électronique dans un plasma. La quasi-particule se forme lorsque les électrons de différentes bandes d'un métal se déphasent les uns par rapport aux autres, de sorte qu'ils maintiennent la charge globale statique. En effet, un démon est le mouvement collectif de quasiparticules neutres – et un démon est également sans masse et incapable d’interagir avec la lumière. Tout cela rend les quasiparticules très difficiles à détecter. Maintenant, Pierre Abbamonte de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign (UIUC) aux États-Unis, et ses collègues ont trouvé des preuves de l'existence du démon en utilisant une technique appelée spectroscopie de perte d'énergie électronique pour identifier une excitation associée au démon de Pines dans des monocristaux de ruthénate de strontium.
Les humains semblent entretenir une relation amour-haine avec le béton. L’aspect pratique de ce matériau sous-tend une grande partie de l’environnement bâti, mais nous dénonçons son apparence parfois brutale et les grandes quantités de dioxyde de carbone émises lors de sa production. Aujourd’hui, une équipe américaine dirigée par le MIT François-Josef Ulm, Admir Masic ainsi que Corne Yang-Shao ont développé un type de béton qui peut être utilisé pour créer des supercondensateurs pour stocker l'énergie. La production commence par un mélange sec de noir de carbone et de ciment, auquel sont ajoutés de l'eau et des superplastifiants. Au fur et à mesure que le matériau se solidifie, il crée un réseau de pores de type fractal qui fait du matériau un conducteur avec une très grande surface. C'est exactement ce que vous souhaitez pour les électrodes d'un condensateur, où plus la surface est grande, plus la capacité est grande. Selon l'équipe, un condensateur en béton de la taille d'un cube de 3.55 m serait capable de stocker environ 10 kWh d'énergie. Une maison construite avec des fondations contenant ces condensateurs pourrait donc stocker l’énergie d’une journée – produite par des panneaux solaires par exemple – et la restituer en cas de besoin. Le matériau pourrait également être utilisé dans la base d’une éolienne, où il pourrait stocker l’énergie excédentaire jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire. La technologie pourrait également être utilisée pour stocker l’énergie renouvelable dans des infrastructures telles que des routes et des parkings, où l’énergie pourrait être transférée par induction aux véhicules.
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