Category Archive : La physique

La vie commence avec des vagues envoûtantes tourbillonnant sur des corps microscopiques, révèle une étude

 

Alors que la vie commence, le tourbillon fou commence. Ce n’est pas de la poésie ou de la philosophie. C’est de la science.

Une fois qu’un œuf est fécondé, des milliards de protéines ondulent sur sa surface, déclenchant une cascade vertigineuse de motifs tourbillonnants. Ces arcs en spirale ne sont pas pour le spectacle, cependant; le phénomène peut être joli, mais c’est aussi une partie fondamentale de la division cellulaire naissante.

 

“L’œuf est une énorme cellule, et ces protéines doivent travailler ensemble pour trouver son centre, afin que la cellule sache où se diviser et se replier, plusieurs fois, pour former un organisme,” dit le physicien Nikta Fakhri du MIT.

“Sans ces protéines faisant des vagues, il n’y aurait pas de division cellulaire.”

Dans une nouvelle étude, Fakhri et ses collègues chercheurs ont examiné de près à quoi ressemblent ces ondes tourbillonnantes, examinant leurs modes de propagation sur les membranes cellulaires des œufs d’étoiles de mer ( Patiria miniata ).

Au-delà de la compréhension de la biologie des ovocytes d’étoiles de mer, les chercheurs ont voulu voir comment ces modèles pourraient se comparer à des phénomènes de vagues similaires dans d’autres types de systèmes – des exemples de ce que les physiciens appellent défauts topologiques .

Comme l’expliquent les chercheurs dans un nouvel article , ces types de comportements de type turbulence peuvent être observés à la fois dans la matière physique et biologique, à des échelles qui varient entre le cosmologique et l’infinitésimal: de tourbillons tourbillonnants dans les atmosphères planétaires à la signalisation bioélectrique dans le cœur et le cerveau.

Pourtant, alors que les similitudes peuvent être abondantes, la nature de leur similitude reste mystérieuse, théoriquement parlant.

“Malgré des progrès aussi substantiels dans la compréhension des défauts topologiques et de leurs implications fonctionnelles, il n’est pas encore clair si les lois statistiques qui régissent ces structures topologiques dans les systèmes classiques et quantiques s’étendent à la matière vivante. , “ expliquent les auteurs .

Dans leurs expériences sur les étoiles de mer, l’équipe a introduit une hormone pour imiter le début de la fécondation dans les ovocytes, dans laquelle des ondes déclenchées d’une protéine de signalisation appelée Rho-GTP ondulent à travers la membrane pendant plusieurs années. minutes à la fois, les résultats étant imagés au microscope grâce à l’aide de colorants fluorescents qui se fixent à Rho-GTP.

En variant la concentration du déclencheur hormonal, les chercheurs ont pu observer une variété de spirales tourbillonnantes émanant à travers le milieu de surface de l’œuf.

“De cette façon, nous avons créé un kaléidoscope de différents modèles et examiné leur dynamique résultante”, Fakhri dit .

“On ne savait pas grand-chose sur la dynamique de ces ondes de surface dans les œufs, et après avoir commencé à analyser et modéliser ces ondes, nous avons constaté que ces mêmes schémas apparaissent dans tous ces autres systèmes. C’est une manifestation de cette très motif de vagues universel. ”

Après avoir filmé et analysé la vitesse de phase dans les modèles d’ondes, les chercheurs disent que les tout débuts de la vie, tels qu’ils sont observés dans ces œufs d’étoiles de mer, ressemblent à la dynamique observée dans la turbulence bactérienne , nématique active et les systèmes quantiques de condensats de Bose – Einstein .

Si c’est un peu lourd pour vous, en termes plus poétiques et philosophiques, c’est aussi – comme le chantent The Killers – un ouragan qui a commencé à tourner quand vous étiez jeune.

Les résultats sont rapportés dans Nature Physics .

Selon les physiciens, seulement trois trous noirs en orbite peuvent briser la symétrie d'inversion du temps

 

La plupart des lois de la physique ne se soucient pas de la direction du temps. En avant, en arrière… de toute façon, les lois fonctionnent exactement de la même manière. Physique newtonienne, relativité générale – le temps n’est pas pertinent pour les mathématiques: c’est ce qu’on appelle la symétrie d’inversion du temps.

 

Dans le vrai univers, les choses deviennent un peu plus compliquées. Et maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par l’astronome Tjarda Boekholt de l’Université d’Aveiro au Portugal a montré qu’il suffit de trois corps en interaction gravitationnelle pour briser la symétrie d’inversion du temps.

“Jusqu’à présent, une relation quantitative entre le chaos dans les systèmes dynamiques stellaires et le niveau d’irréversibilité restait indéterminée”, écrivaient-ils dans leur article .

“Dans ce travail, nous étudions les systèmes chaotiques à trois corps en chute libre en utilisant initialement le code à n corps précis et précis Brutus , qui va au-delà de l’arithmétique standard à double précision. Nous démontrons que la fraction des solutions irréversibles diminue en tant que loi de puissance avec une précision numérique. ”

Le problème des n-corps est un problème célèbre en astrophysique. Elle survient lorsque vous ajoutez plus de corps à un système en interaction gravitationnelle.

Les mouvements de deux corps de taille comparable en orbite autour d’un point central sont relativement simples à prédire mathématiquement, selon les lois de Newton du mouvement et la loi de Newton de la gravitation universelle.

Cependant, une fois que vous ajoutez un autre corps, les choses deviennent délicates. Les corps commencent à perturber gravitationnellement les orbites des autres, introduisant un élément de chaos dans l’interaction. Cela signifie que, bien qu’il existe des solutions pour des cas particuliers, il n’y a pas de formule unique – sous la physique newtonienne ou la relativité générale – qui décrit ces interactions avec une précision totale.

Même au sein du système solaire, que nous comprenons assez bien, nous ne pouvons prédire que quelques millions d’années dans le futur. Le chaos dans l’univers est une fonctionnalité, pas un bug. .

Ce qui n’est pas clair, c’est si cela est le résultat du chaos de ces systèmes, ou des problèmes avec les simulations, conduisant à une incertitude sur leur fiabilité.

Ainsi, Boekholt et ses collègues ont conçu un test pour comprendre cela. Lui et l’astrophysicien computationnel Simon Portegies Zwart de l’Université de Leiden aux Pays-Bas ont précédemment écrit un code de simulation à n corps appelé Brutus qui utilise la puissance de calcul par force brute pour réduire l’ampleur des erreurs numériques.

Maintenant, ils l’ont utilisé pour tester la réversibilité temporelle d’un système à trois corps.

“Puisque les équations de mouvement de Newton sont réversibles dans le temps, une intégration en avant suivie d’une intégration en arrière du même temps devrait récupérer la réalisation initiale du système (quoique avec une différence de signe dans les vitesses)”, [19459005 ] ils ont écrit dans leur journal .

“Le résultat d’un test de réversibilité est donc exactement connu.”

Les trois corps du système sont des trous noirs , et ils ont été testés dans deux scénarios. Dans le premier, les trous noirs sont partis du repos, se rapprochant sur des orbites compliquées, avant que l’un des trous noirs ne soit expulsé du système.

Le deuxième scénario commence là où le premier se termine et est exécuté en arrière dans le temps, essayant de restaurer le système à son état initial.

Ils ont découvert que, 5% du temps, la simulation ne pouvait pas être inversée. Il a suffi de perturber le système de la taille d’un Longueur de Planck , qui, à 0,0000000000000000000000000000000000000016 mètre, est la plus petite longueur possible .

“Le mouvement des trois trous noirs peut être si énormément chaotique que quelque chose d’aussi petit que la longueur de Planck influencera les mouvements”, Boekholt a dit . “Les perturbations de la taille de la longueur de Planck ont ​​un effet exponentiel et brisent la symétrie temporelle.”

Cinq pour cent peuvent ne pas sembler beaucoup, mais comme vous ne pouvez jamais prédire laquelle de vos simulations tombera dans ces cinq pour cent, les chercheurs ont conclu que les systèmes à n corps sont donc “fondamentalement imprévisibles”.

Et ils ont montré que le problème n’est pas avec les simulations après tout.

“Ne pas pouvoir remonter le temps n’est plus seulement un argument statistique”, Portegies Zwart a déclaré . “Il est déjà caché dans les lois fondamentales de la nature. Pas un seul système de trois objets en mouvement, grands ou petits, planètes ou trous noirs, ne peut échapper à la direction du temps.”

La recherche a été publiée dans les avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

Dans une première énorme, les physiciens ont capturé des atomes individuels et les ont vus fusionner

 

Pour comprendre comment les atomes s’unissent pour se transformer en molécules, nous devons les attraper en action. Mais pour ce faire, les physiciens doivent obliger les atomes à s’arrêter suffisamment longtemps pour que leurs échanges soient enregistrés. Ce n’est pas une tâche facile, et un physicien de l’Université d’Otago vient tout juste de terminer.

 . .

Même s’il vous arrive de capturer une poignée d’atomes dans un espace, chaque collision risque d’envoyer des atomes se décoller de votre expérience.

Une façon d’analyser de telles rencontres est de saisir des atomes isolés avec l’équivalent d’une minuscule paire de pinces, de les maintenir immobiles et d’enregistrer les changements à mesure qu’ils se rencontrent.

Heureusement, une telle paire de pinces existe. Fabriqués à partir de lumière polarisée spécialement alignée, ces pinces à laser peuvent servir de pièges optiques pour de minuscules objets.

Compte tenu des ondes lumineuses suffisamment courtes, un expérimentateur a de bonnes chances de piéger quelque chose d’aussi petit qu’un atome individuel dans son pincement. Bien sûr, les atomes doivent d’abord être refroidis pour les rendre plus faciles à attraper, puis séparés dans un espace vide.

Le décrire de cette façon le rend plus facile. Mais c’est un processus qui nécessite la bonne technologie et beaucoup de patience pour y parvenir. . “ dit le physicien Mikkel F. Andersen .

“Nous combinons lentement les pièges contenant les atomes pour produire des interactions contrôlées que nous mesurons.”

Les atomes dans ce cas étaient tous de la variété rubidium, qui se lient pour former des molécules de dirubidium , mais seulement deux atomes ne suffisent pas pour y parvenir.

“Deux atomes seuls ne peuvent pas former une molécule, il en faut au moins trois pour faire de la chimie”, dit le physicien Marvin Weyland .

Modéliser comment cela se passe est un véritable défi. Il est clair que deux atomes doivent se rapprocher suffisamment pour pouvoir former une liaison, tandis qu’un troisième enlève une partie de cette énergie de liaison pour les laisser connectés.

Il est déjà assez difficile de calculer comment deux atomes se rencontrent pour construire une molécule. Prendre en compte les actions de tout autre peut être un cauchemar. . entre plusieurs atomes.

À l’aide d’une caméra spéciale pour agrandir les changements, l’équipe a capturé le moment où les particules de rubidium se sont rapprochées, révélant que le taux de perte n’était pas aussi proche que prévu.

En fait, cela signifie également que les molécules ne se rassemblent pas aussi rapidement que les modèles existants pourraient l’expliquer.

Quelque chose au sujet du confinement des atomes et des effets quantiques à courte portée pourrait aider à expliquer cette lenteur, mais le fait qu’il soit inattendu signifie qu’il y a beaucoup de physique à explorer en utilisant ce processus.

“Notre travail est la première fois que ce processus de base est étudié isolément, et il s’avère qu’il a donné plusieurs résultats surprenants qui n’étaient pas attendus des mesures précédentes dans de grands nuages ​​d’atomes”, dit Weyland .

“Avec le développement, cette technique pourrait fournir un moyen de construire et de contrôler des molécules uniques de produits chimiques particuliers.”

D’autres expériences aideront à affiner ces modèles pour mieux expliquer comment les groupes d’atomes fonctionnent ensemble pour se rencontrer et se lier dans diverses conditions.

Dans un monde de technologie en constante diminution, il n’est pas difficile d’imaginer un besoin de processus où les circuits microscopiques et les médicaments avancés sont construits atome par atome, une union à la fois.

“Nos recherches tentent d’ouvrir la voie pour pouvoir construire à l’échelle la plus petite possible, à savoir l’échelle atomique, et je suis ravi de voir comment nos découvertes influenceront les progrès technologiques à l’avenir,” [ 19459007] dit Andersen .

Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters .

Les scientifiques ont découvert un tout nouvel état de la matière électronique

 

Les scientifiques ont observé un nouvel état de la matière électronique à l’échelle quantique, qui se forme lorsque les électrons s’agglutinent en transit, et cela pourrait faire progresser notre compréhension et notre application de la physique quantique.

 

Le mouvement est la clé de ce nouvel état quantique. Lorsqu’un courant électrique est appliqué à des semi-conducteurs ou à des métaux, les électrons à l’intérieur se déplacent généralement lentement et quelque peu au hasard dans une direction.

Ce n’est pas le cas dans un type spécial de support appelé conducteur balistique , où le mouvement est plus rapide et plus uniforme.

La nouvelle étude montre comment dans les fils conducteurs balistiques très minces, les électrons peuvent se grouper – créant un tout nouvel état quantique de la matière uniquement à partir d’électrons accélérés.

“Normalement, les électrons dans les semi-conducteurs ou les métaux se déplacent et se dispersent, et finissent par dériver dans une direction si vous appliquez une tension”, , explique le physicien Jeremy Levy , de l’Université de Pittsburgh. “Mais dans les conducteurs balistiques, les électrons se déplacent plus comme des voitures sur une autoroute.”

“La découverte que nous avons faite montre que lorsque des électrons peuvent être faits pour s’attirer mutuellement, ils peuvent former des grappes de deux, trois, quatre et cinq électrons qui se comportent littéralement comme de nouveaux types de particules, de nouvelles formes de matière électronique . ”

Les conducteurs balistiques peuvent être utilisés pour repousser les limites de ce qui est possible en électronique et en physique classique, et celui utilisé dans cette expérience particulière a été fabriqué à partir de aluminate de lanthane et titanate de strontium [ 19459004].

Fait intéressant, lorsque les chercheurs ont mesuré les niveaux de conductance, ils ont découvert qu’ils suivaient l’un des modèles les plus connus en mathématiques – Triangle de Pascal . À mesure que la conductance augmentait, elle augmentait selon un motif qui correspond à l’une des rangées du triangle de Pascal, suivant l’ordre 1, 3, 6, 10 et ainsi de suite.

“La découverte nous a pris un certain temps à comprendre, mais c’est parce que nous ne savions pas au départ que nous regardions des particules composées d’un électron, de deux électrons, de trois électrons et ainsi de suite, “ dit Levy .

Ce regroupement d’électrons est similaire à la façon dont les quarks se lient pour former des neutrons et des protons, selon les chercheurs. Les électrons dans les supraconducteurs peuvent également s’associer comme cela, se réunissant par paires pour coordonner le mouvement.

Les résultats pourraient avoir quelque chose à nous apprendre sur l’intrication quantique , qui à son tour est la clé pour faire des progrès avec l’informatique quantique et un super-sécurisé, Internet quantique ultra-rapide .

Selon Levy, c’est un autre exemple de la façon dont nous inversons l’ingénierie du monde sur la base de ce que nous avons trouvé de la découverte des principes fondamentaux de la physique quantique – en s’appuyant sur des travaux importants réalisés au cours des dernières décennies.

“Maintenant, au 21e siècle, nous examinons toutes les étranges prédictions de la physique quantique et les retournons et les utilisons”, dit Levy .

“Lorsque vous parlez d’applications, nous pensons à l’informatique quantique, à la téléportation quantique, aux communications quantiques, à la détection quantique – des idées qui utilisent les propriétés de la nature quantique de la matière qui étaient ignorées auparavant.”

La recherche a été publiée dans Science .

Des séquences vidéo incroyables révèlent le moment où deux gouttelettes séparées se fondent en une seule

 

Les scientifiques ont utilisé des caméras ultra-rapides pour capturer le moment où les gouttelettes de liquide se combinent, offrant un aperçu unique et surnaturel de la dynamique des fluides que l’œil humain ne peut pas observer seul.

 

En utilisant une configuration expérimentale impliquant deux caméras synchronisées à grande vitesse – une prise de vue latérale et l’autre regardant vers le haut (gracieuseté d’un miroir incliné sous une lame de verre) – les chercheurs ont pu étudier l’interaction de deux gouttelettes distinctes, comme un impacteur bleu teinté relié à une gouttelette transparente reposant toujours sur la surface du verre.

010 droplet 700 (Université de Leeds)

“Dans le passé, il y a eu des cas où deux gouttelettes ont un impact et vous vous êtes posé des questions si elles se sont mélangées ou si une gouttelette vient de passer par-dessus l’autre “, dit le chercheur en mécanique des fluides Alfonso Castrejón-Pita de l’Université d’Oxford.

“Le fait d’avoir deux caméras enregistrant l’interaction des gouttelettes de différents points de vue répond à cette question.”

010 droplet apparatus diagram (Sykes et al., Physical Review Fluids, 2020)

Dans les images capturées, vous pouvez voir la gouttelette bleue – dégoulinant d’une pompe suspendue au-dessus du toboggan – passer au-dessus de la gouttelette transparente comme une couverture, créant un jet de surface qui se forme en moins de 15 millisecondes (15 millièmes de seconde) après la fusion de la paire.

010 droplet 700 (Université de Leeds)

L’image enregistrée sur l’appareil photo latéral montre que la gouttelette bleue est assise sur le dessus de la gouttelette transparente, avec une tension superficielle empêchant le mélange de se produire.

“Étant donné une séparation latérale suffisante entre des gouttelettes de tension de surface identique, un jet de surface robuste est identifié au-dessus de la gouttelette coalescée”, l’équipe de recherche, dirigée par le premier auteur Thomas C. Sykes de l’Université de Leeds, explique dans leur étude .

“Le traitement d’image montre que ce jet est le résultat d’un écoulement de surface provoqué par l’inertie d’impact et une ligne de contact immobile.”

Mais deux gouttelettes ne deviennent pas toujours une gouttelette exactement de la même manière. Le jet de surface créé dans ce type d’événement peut être amélioré ou même supprimé, selon les manipulations de la tension de surface. Ceci est un exemple d’un phénomène appelé effet Marangoni , qui affecte le transfert de masse le long d’une interface entre deux fluides.

010 droplet 700 La vue latérale, montrant que les gouttelettes ne se mélangent pas tant que la tension superficielle persiste. (Université de Leeds)

En plus d’être joli à regarder, la compréhension de la dynamique des fluides à l’œuvre ici pourrait conduire à de nouvelles avancées dans le domaine de l’impression 3D, nous aidant à apprendre comment les produits chimiques globulaires réagir lorsqu’ils tombent l’un à côté de l’autre de l’imprimante.

Bien sûr, vous avez besoin d’une imagerie assez haut de gamme pour capturer cette minute coalescente comme cela se produit – un exploit rendu possible ici par des caméras fonctionnant jusqu’à 25 000 images par seconde.

“Les techniques d’imagerie développées ont ouvert une nouvelle fenêtre sur la technologie des gouttelettes”, explique l’ingénieur en mécanique Mark Wilson de l’Université de Leeds.

“Nous avons pu exposer les flux internes, tout en créant une image à une vitesse suffisante pour capturer la dynamique rapide.”

Les résultats sont rapportés dans Fluides d’examen physique .

Les physiciens ont filmé le moment où un atome subit une mesure quantique

 

Avant qu’il ne soit observé, un électron est un gâchis chaud de possibilité. Tout comme le chat métaphorique de Schrödinger, ce n’est qu’une fois que nous avons soulevé le couvercle de sa boîte métaphorique et jeté un œil attentif qu’un électron se positionne clairement autour d’un atome.

 

Nous avons maintenant regardé de plus près comment ce règlement se produit. En prenant une série d’instantanés d’un ion strontium contenu dans un champ électrique, une équipe de physiciens de Suède, d’Allemagne et d’Espagne a découvert que la transition d’un électron de “ peut-être ” à “ réalité ” n’était pas tout à fait une affaire de tout ou rien.

Pendant la majeure partie du siècle, il a été assez clair que l’Univers que nous vivons dans notre vie quotidienne n’est pas tout à fait comme celui que nous voyons lorsque nous essayons de le regarder de près.

Une conséquence extraordinaire de l’étrangeté au cœur de la physique est que les objets ne peuvent être décrits qu’en utilisant des ensembles de probabilités appelés superpositions – jusqu’à ce que nous les poussions avec des sondes et les bombardions de lumière pour déterminer avec certitude leur taille et leur nature .

Dans notre monde classique des absolus, c’est difficile à imaginer. Même le célèbre physicien Erwin Schrödinger s’est moqué de l’idée quand il l’a entendue pour la première fois, posant une expérience de pensée impliquant un chat imaginaire qui était à la fois vivant et mort jusqu’à ce que nous regardions.

Ce n’est qu’en ouvrant la boîte et en observant que la vie potentielle du chat est soit maintenue, soit éteinte, du moins aux yeux de l’observateur.

Schrödinger l’a trouvé idiot, tout comme Einstein, mais depuis lors, il a été montré à maintes reprises que le chat métaphorique est en effet une description précise du fonctionnement de la physique.

Une question qui reste est de savoir s’il existe une telle chose comme une mesure quantique idéale, une mesure qui peut mesurer des aspects d’un système sans provoquer l’effondrement de sa superposition entière dans une réponse finale.

Dans les années 40, le mathématicien américano-hongrois John von Neumann pensait que mesurer une partie d’un système quantique – comme la position d’un électron sur une orbite – créerait un bruit quantique suffisant à tout abandonner sa nature probabiliste.

Des années plus tard, un physicien théoricien allemand nommé Gerhart Lüders a contesté les hypothèses de von Neumann, soulignant que certaines qualités indécises des possibilités d’une particule pouvaient persister même si d’autres devenaient claires.

Bien que les physiciens soient d’accord avec Lüders en théorie, ce n’est pas la chose la plus facile à démontrer expérimentalement, en s’appuyant sur la mesure de certaines actions qui se produisent naturellement de manière à ne pas interférer les unes avec les autres.

Les chercheurs se sont installés sur un atome de strontium avec des électrons manquants, piégeant l’ion de manière à ne pas savoir dans laquelle des deux orbites se trouvent les électrons restants, les laissant dans un frottis de tous les deux.

C’est plus ou moins la même configuration utilisée dans de nombreux ordinateurs quantiques . Un laser force ensuite la superposition d’électrons dans l’ion à se déplacer, le décalage potentiel en orbite étant confirmé en détectant la lumière émise lorsque l’électron se remet en place.

Ce n’est que sur détection de la lumière que l’on peut considérer la position absolue de l’électron comme verrouillée en place.

“Chaque fois que nous mesurons l’orbite de l’électron, la réponse de la mesure sera que l’électron était soit sur une orbite inférieure ou supérieure, jamais quelque chose entre les deux”, dit Fabian Pokorny, physicien à l’Université de Stockholm.

“La mesure dans un sens oblige l’électron à décider dans lequel des deux états il se trouve.”

La capture de nombreux photons lors de la rotation de l’ion strontium dans différents états avec un laser séparé a fourni à l’équipe une image de l’évolution du processus qui s’est déroulé sur un millionième de seconde.

Ils ont découvert que la transition du système quantique de peut-être à réellement n’est pas une affaire absolue. Des aspects de celui-ci peuvent être mesurés, comme le lieu de repos final de l’électron, tout en laissant certaines caractéristiques de sa superposition intactes et indécises. Tout comme Lüders l’avait soutenu.

“Ces découvertes apportent un éclairage nouveau sur le fonctionnement interne de la nature et sont conformes aux prédictions de la physique quantique moderne”, dit le chercheur principal Markus Hennrich, également physicien à l’Université de Stockholm.

De plus, ce changement n’est pas instantané. En prenant des instantanés de l’atome alors que l’un de ses électrons adopte une orbite claire, l’équipe a montré que le changement se déroule, comme si la transition d’une incertitude totale vers une orbite spécifique était une question de probabilité croissante, plutôt qu’une décision soudaine.

Ce n’est pas la première expérience à montrer comment les sauts quantiques dans la possibilité d’un électron est un processus qui se déroule comme “ l’éruption d’un volcan “, plutôt qu’un interrupteur. Mais cela ajoute quelques détails intéressants à la façon dont ce changement se produit qui permet de telles mesures idéales.

Malheureusement, rien de tout cela ne nous dit ce que signifie une transition des possibilités quantiques en une mesure claire dans le grand schéma des choses, sans parler de la façon de penser au pauvre chat de Schrödinger qui attend patiemment dans l’obscurité.

Tout ce que nous savons, c’est que soulever le couvercle du pauvre animal ne le prive pas complètement de son mystère. Même s’il risque une mort plus lente que von Neumann n’aurait pu l’imaginer.

Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters .

Les physiciens détectent des signes d'une forme insaisissable de magnétisme qui devraient exister il y a 50 ans

 

En 1966, le physicien japonais Yosuke Nagaoka a eu l’idée d’un nouveau mécanisme inhabituel qui pourrait provoquer le ferromagnétisme – le phénomeon qui alimente les aimants tels que nous les connaissons.

 

Son idée avait un sens théorique, mais elle n’a jamais été observée dans les matériaux naturels. Maintenant, nous en avons les premiers signes au laboratoire.

Encore une fois, nous sommes redevables à la physique quantique pour la découverte. Les scientifiques ont pu générer ce qu’ils appellent des «signatures expérimentales» du ferromagnétisme de Nagaoka (comme il est venu à être nommé) dans un système électrique quantique étroitement contrôlé et sur mesure.

Bien qu’il soit trop tôt pour utiliser pratiquement cette nouvelle configuration de magnétisme, ce qui rend la découverte passionnante est l’indication que la prédiction de 54 ans de Nagaoka est juste; et cela pourrait avoir un impact majeur sur la façon dont les systèmes quantiques du futur se développeront.

“Les résultats étaient clairs: nous avons démontré le ferromagnétisme de Nagaoka”, dit le physicien quantique Lieven Vandersypen , de l’Université de Technologie de Delft aux Pays-Bas.

“Lorsque nous avons commencé à travailler sur ce projet, je ne savais pas si l’expérience serait possible, car la physique est si différente de toute autre chose que nous ayons jamais étudiée dans notre laboratoire.”

La façon la plus simple de penser au ferromagnétisme Nagaoka est comme un jeu de puzzle pour enfant, celui avec des blocs coulissants que vous devez mettre dans une image ou un motif. Dans cette analogie, chaque bloc est un électron avec son propre spin ou alignement.

Lorsque les électrons s’alignent dans une direction, un champ magnétique est créé. Nagaoka a décrit une sorte de version idéale du ferromagnétisme itinérant, où les électrons sont libres de se déplacer mais où le matériau reste magnétique.

Dans la version Nagaoka du jeu de puzzle, tous les électrons sont alignés dans la même direction – ce qui signifie cependant que les blocs du puzzle sont mélangés, le magnétisme du système dans son ensemble reste constant.

Parce que le brassage des électrons (ou des tuiles de casse-tête) autour ne fait aucune différence dans la configuration générale, le système nécessite moins d’énergie.

ferro 2 Ferromagnétisme Nagaoka sous forme de puzzle, avec tous les spins alignés à droite. (Scixel de Groot pour QuTech)

Pour montrer le ferromagnétisme de Nagaoka en action, les scientifiques ont en fait construit un réseau 2D, deux par deux composé de points quantiques , de minuscules particules semi-conductrices qui pourraient former la prochaine génération d’ordinateurs quantiques .

L’ensemble du système a été refroidi à près de zéro absolu (-272,99 ° C ou -459,382 ° F), puis trois électrons ont été piégés à l’intérieur (laissant un «bloc de puzzle» vide). L’étape suivante consistait à démontrer que le réseau se comportait comme un aimant comme Nagaoka le suggérait.

“Nous avons utilisé un capteur électrique très sensible qui pourrait déchiffrer l’orientation de rotation des électrons et la convertir en un signal électrique que nous pourrions mesurer en laboratoire”, dit quantum physicien Uditendu Mukhopadhyay , de l’Université de technologie de Delft.

Le capteur a montré que le système de points quantiques super petit et super délicat alignait effectivement les spins d’électrons comme prévu, préférant naturellement l’état d’énergie le plus bas.

Ayant décrit précédemment comme l’un des problèmes les plus difficiles de la physique, c’est un pas en avant important dans notre compréhension du magnétisme et de la mécanique quantique, montrant qu’une idée de longue date sur la façon dont le ferromagnétisme fonctionne à l’échelle nanométrique est en fait correct.

Plus loin, la découverte devrait aider au développement de nos propres ordinateurs quantiques , des appareils capables d’effectuer des calculs dépassant le cadre de notre technologie actuelle.

“De tels systèmes permettent d’étudier des problèmes trop complexes pour être résolus avec le supercalculateur le plus avancé d’aujourd’hui, par exemple des processus chimiques complexes”, dit Vandersypen . .

La recherche a été publiée dans Nature .

Les scientifiques viennent de révéler la structure électronique d'une molécule qui existe en 126 dimensions

 

Eh bien, ces chats de chimie fous l’ont fait. Près de 200 ans après la découverte de la molécule par Michael Faraday , les chercheurs ont enfin révélé la structure électronique complexe du benzène.

 

Non seulement cela règle un débat qui fait rage depuis les années 1930, mais cette étape a des implications importantes pour le développement futur des matériaux optoélectroniques, dont beaucoup sont construits sur des benzènes.

La structure atomique du benzène est assez bien comprise. C’est un cycle composé de six atomes de carbone et de six atomes d’hydrogène, un attaché à chacun des atomes de carbone.

Là où cela devient extrêmement délicat, c’est quand on considère les 42 électrons de la molécule.

“La fonction mathématique qui décrit les électrons du benzène est de 126 dimensions”, a déclaré à ScienceAlert le chimiste Timothy Schmidt du Centre d’excellence ARC en science d’Exciton et UNSW Sydney en Australie.

“Cela signifie que c’est une fonction de 126 coordonnées, trois pour chacun des 42 électrons. Les électrons ne sont pas indépendants, nous ne pouvons donc pas le décomposer en 42 fonctions tridimensionnelles indépendantes.

[19459001 ] La réponse calculée par une machine n’est pas facile à interpréter par un humain, et nous avons dû inventer un moyen de trouver la réponse. ”

Cela signifie donc que la description mathématique de la structure électronique du benzène doit prendre en compte 126 dimensions. Comme vous pouvez l’imaginer, ce n’est pas exactement une chose simple à faire. En fait, cette complexité est la raison pour laquelle la révélation de la structure est restée un problème pendant si longtemps, conduisant à des débats sur la façon dont les électrons du benzène se comportent même.

Il existe deux écoles de pensée: le benzène suit la théorie des liaisons de valence , avec des électrons localisés; ou théorie orbitale moléculaire , avec des électrons délocalisés. Le problème est que ni l’un ni l’autre ne semble vraiment correspondre.

“L’interprétation de la structure électronique en termes d’orbitales ignore que la fonction d’onde est antisymétrique lors de l’échange de spins similaires”, ont écrit les chercheurs dans leur article . “En outre, les orbitales moléculaires ne fournissent pas une description intuitive de la corrélation électronique.”

voronoi benzene Site de Voronoi montrant les spins d’électrons (à gauche) et des coupes transversales du site (à droite). (Liu et al. Nature Communications, 2020)

Le travail de l’équipe était basé sur une technique qu’ils avaient récemment développée. Il s’appelle échantillonnage dynamique de Voronoi Metropolis , et il utilise une approche algorithmique pour visualiser les fonctions d’onde d’un système à électrons multiples.

Ceci sépare les dimensions des électrons en tuiles séparées dans un diagramme de Voronoi , chacune des tuiles correspondant aux coordonnées des électrons, permettant à l’équipe de cartographier la fonction d’onde des 126 dimensions.

Et ils ont trouvé quelque chose d’étrange.

“Les électrons avec ce qui est connu sous le nom de double liaison montante, où ceux avec la simple liaison descendante, et vice versa”, Schmidt a déclaré dans un communiqué . “Ce n’est pas ainsi que les chimistes pensent du benzène.”

Ceci a pour effet que les électrons s’évitent quand il est avantageux de le faire, réduisant l’énergie de la molécule et la rendant plus stable.

“Essentiellement, cela unit la pensée chimique, en montrant comment les deux paradigmes dominants par lesquels nous décrivons le benzène se rejoignent”, a-t-il déclaré à ScienceAlert.

“Mais nous montrons également comment inspecter ce qu’on appelle la corrélation d’électrons – comment les électrons s’évitent. Ceci est presque toujours ignoré qualitativement, et uniquement invoqué pour les calculs où seule l’énergie est utilisée, pas le comportement électronique . ”

La recherche a été publiée dans Nature Communications .

Des ingénieurs australiens viennent de résoudre par accident un mystère quantique vieux de 58 ans

 

Il y a près de 60 ans, le physicien lauréat du prix Nobel Nicolaas Bloembergen a prédit un nouveau phénomène passionnant appelé résonance électrique nucléaire. Mais personne n’a pu le démontrer en action – jusqu’à présent.

 

Des preuves réelles de résonance électrique nucléaire ont maintenant été découvertes par accident dans un laboratoire de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) en Australie, grâce à un équipement défectueux. Cette percée donne aux scientifiques un nouveau niveau de contrôle sur les noyaux et pourrait sérieusement accélérer le développement des ordinateurs quantiques .

Au centre du phénomène se trouve l’idée de contrôler le spin d’atomes individuels en utilisant des champs électriques plutôt que magnétiques. Cela signifie une gestion plus précise et plus miniaturisée des noyaux, ce qui pourrait avoir des impacts profonds dans une variété de domaines.

“Cette découverte signifie que nous avons maintenant une voie pour construire des ordinateurs quantiques utilisant des spins à un seul atome sans avoir besoin de champ magnétique oscillant pour leur fonctionnement”, dit le physicien quantique Andrea Morello , de l’UNSW.

“De plus, nous pouvons utiliser ces noyaux comme des capteurs extrêmement précis de champs électriques et magnétiques, ou pour répondre à des questions fondamentales de la science quantique.”

Dans certaines situations, la résonance électrique nucléaire a le potentiel de remplacer la résonance magnétique nucléaire, qui est largement utilisée aujourd’hui à diverses fins: pour balayer les corps humains, les éléments chimiques, les formations rocheuses, etc.

Le problème avec l’option magnétique est qu’elle nécessite des courants puissants, de grandes bobines et un espace considérable – pensez à la taille d’un scanner IRMf à votre hôpital local, par exemple.

Non seulement cela, à certains égards, c’est aussi un peu un instrument contondant. Si vous voulez contrôler des noyaux atomiques individuels – pour l’informatique quantique , peut-être, ou de très petits capteurs – alors la résonance magnétique nucléaire n’est pas un très bon outil pour le travail.

“L’exécution de la résonance magnétique est comme essayer de déplacer une boule particulière sur une table de billard en soulevant et en secouant la table entière”, dit Morello . “Nous déplacerons la balle prévue, mais nous déplacerons également toutes les autres.”

“La percée de la résonance électrique est comme recevoir un vrai bâton de billard pour frapper la balle exactement où vous le voulez.”

C’est lors d’une expérience de résonance magnétique nucléaire que les chercheurs de l’UNSW ont brisé le puzzle posé par Bloembergen en 1961, et tout cela était dû à une antenne cassée. Après quelques égratignures sur des résultats inattendus, les chercheurs ont réalisé que leur équipement était défectueux – et démontrait une résonance électrique nucléaire.

Grâce à une modélisation informatique ultérieure, l’équipe a pu montrer que les champs électriques pouvaient influencer un noyau à un niveau fondamental, déformant les liaisons atomiques autour du noyau et le faisant se réorienter.

Maintenant que les scientifiques savent comment la résonance électrique nucléaire peut fonctionner, ils peuvent rechercher de nouvelles façons de l’appliquer. De plus, nous pouvons ajouter cela à la liste croissante des découvertes scientifiques importantes qui ont été faites par accident .

“Ce résultat historique ouvrira un trésor de découvertes et d’applications”, dit Morello . “Le système que nous avons créé est suffisamment complexe pour étudier comment le monde classique que nous vivons chaque jour émerge du royaume quantique.”

“De plus, nous pouvons utiliser sa complexité quantique pour construire des capteurs de champs électromagnétiques avec une sensibilité considérablement améliorée. Et tout cela, dans un simple appareil électronique en silicium, contrôlé avec de petites tensions appliquées à une électrode métallique.”

La recherche a été publiée dans Nature .

Ce groupe de galaxies vient de porter un coup dur à la théorie des cordes

 

Au cœur d’un amas de galaxies à 200 millions d’années-lumière, les astronomes n’ont pas réussi à détecter des particules hypothétiques appelées axions.

Cela impose de nouvelles contraintes sur la façon dont nous pensons que ces particules fonctionnent – mais cela a également des implications assez importantes pour la théorie des cordes et le développement d’une théorie de tout qui décrit le fonctionnement de l’Univers physique.

 

“Jusqu’à récemment, je n’avais aucune idée du montant que les astronomes des rayons X apportent à la table en matière de théorie des cordes, mais nous pourrions jouer un rôle majeur” , a déclaré l’astrophysicien Christopher Reynolds. de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni .

Pour comprendre comment fonctionne l’Univers, nous avons développé de très bons cadres. L’un est la relativité générale , décrivant comment la physique fonctionne à un niveau macro. Un autre est la mécanique quantique, qui décrit comment les choses se comportent au niveau atomique et subatomique.

Le gros problème est que les deux cadres ne s’entendent pas. La relativité générale ne peut pas être réduite au niveau quantique, et la mécanique quantique ne peut pas être augmentée. Il y a eu de nombreuses tentatives pour les amener à jouer gentiment, développant ce qu’on appelle une théorie de tout.

L’un des candidats les plus prometteurs pour résoudre les différences entre la relativité générale et la mécanique quantique est quelque chose appelé la théorie des cordes , qui consiste à remplacer les particules ponctuelles en physique des particules par de minuscules et vibrantes particules. -des chaînes dimensionnelles.

En outre, de nombreux modèles de théorie des cordes prédisent l’existence d’axions – les particules de masse ultra-faible émises pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre la question de savoir pourquoi des forces atomiques fortes suivent quelque chose appelé symétrie de parité de charge , quand la plupart des modèles disent qu’ils n’en ont pas besoin. Il s’est avéré que la théorie des cordes prédit également un grand nombre de particules qui se comportent comme des axions, appelées particules de type axion.

L’une des propriétés des particules de type axion est qu’elles peuvent se convertir en photon lorsqu’elles traversent un champ magnétique; et, inversement, les photons peuvent se convertir en particules de type axion lorsqu’ils traversent un champ magnétique. La probabilité de cela dépend d’une gamme de facteurs, y compris la force du champ magnétique, la distance parcourue et la masse de la particule.

C’est là qu’interviennent Reynolds et son équipe. Ils avaient utilisé l’Observatoire de rayons X de Chandra pour étudier le noyau actif d’une galaxie appelée NGC 1275 qui se trouve autour de 237 millions de lumière- ans, au cœur d’un amas de galaxies appelé amas de Persée.

Leurs huit jours d’observations ont fini par leur dire presque rien sur le trou noir . Mais ensuite, ils ont réalisé que les données pouvaient être utilisées pour rechercher des particules de type axion.

“La lumière à rayons X de NGC1275 doit passer à travers le gaz chaud de l’amas de Persée, et ce gaz est magnétisé”, explique Reynolds .

“Le champ magnétique est relativement faible (plus de 10 000 fois plus faible que le champ magnétique à la surface de la Terre), mais les photons de rayons X doivent parcourir une distance énorme à travers ce champ magnétique. Cela signifie qu’il y a amplement possibilité de conversion de ces photons en particules de type axion (à condition que les particules de type axion aient une masse suffisamment faible). ”

Parce que la probabilité de conversion dépend de la longueur d’onde des photons de rayons X, les observations devraient révéler une distorsion car certaines longueurs d’onde sont converties plus efficacement que d’autres. Il a fallu environ un an de travail minutieux à l’équipe, mais au final, aucune distorsion de ce type n’a été trouvée.

Cela signifie que l’équipe pouvait exclure l’existence d’axions dans la gamme de masse à laquelle leurs observations étaient sensibles – jusqu’à environ un millionième de milliardième de la masse d’un électron.

“Nos recherches n’excluent pas l’existence de ces particules, mais cela n’aide certainement pas leur cas”, a déclaré l’astronome Helen Russell de l’Université de Nottingham au Royaume-Uni .

“Ces contraintes creusent dans la gamme de propriétés suggérées par la théorie des cordes et peuvent aider les théoriciens des cordes à sonder leurs théories.”

La recherche a été publiée dans The Astrophysical Journal .