réfrigération magnétique

Dans un système binaire, la naine blanche aspire le gaz de son étoile voisine comme un aspirateur. Si la naine possède un champ magnétique, le gaz ne tombe pas n'importe où : il s'écoule vers les pôles, comme la limaille de fer vers un aimant. Là, il s'accumule en un amas. Mais qu'est-ce qui empêche cet amas de s'étaler ?

Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six.

Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais au laboratoire, les micro-ondes ont fait autre chose : elles ont transformé un supraconducteur en aimant permanent. Un film d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre de 300 nanomètres d'épaisseur, refroidi à 80 kelvins, a réagi à un rayonnement de 5 gigahertz.

Une toupie magnétique qui ne tombe pas. Une petite bille de grenat fer-yttrium flotte dans les airs, maintenue par des forces invisibles. Ce n'est pas un tour de magie, mais un piège de Paul magnétique — un champ magnétique alternatif qui change rapidement de direction et empêche la bille de tomber, comme un jongleur qui lance des balles en l'air.

L'eau chaude après une douche, l'air tiède de la ventilation, les parois chaudes d'un moteur : toute cette chaleur en dessous de 100 °C se dissipe généralement sans avoir fait le moindre travail. Désormais, on peut la capter et la transformer en électricité. Au cœur du nouveau dispositif se trouve un fil en alliage nickel-titane.

Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

Un faisceau laser sait non seulement chauffer, mais aussi apaiser le mouvement. Lorsque la lumière entre dans un piège à miroirs, elle exerce une pression sur eux — et si l'on règle correctement la couleur du faisceau, cette pression se transforme en un freinage tout en douceur. C'est ainsi que l'on refroidit de minuscules oscillations mécaniques jusqu'à presque le zéro absolu.

Au plus profond de la Terre, le fer est chauffé à blanc, et la pression y est telle qu'un instrument ordinaire serait écrasé comme une crêpe. Pour explorer ce monde, des physiciens ont mis au point un microscope spécial basé sur de minuscules défauts dans le diamant (les centres NV).

Les réfrigérateurs et climatiseurs modernes aux fréons empoisonnent silencieusement l'atmosphère. L'alternative : les matériaux caloriques à l'état solide, qui se refroidissent lors d'un changement rapide de pression grâce à l'effet barocalorique.

Dans une tasse bien chaude, l'eau gèle parfois plus vite que dans une tasse tiède. Ce paradoxe a plus d'un demi-siècle et porte le nom d'effet Mpemba. On l'attribue généralement aux mouvements du liquide ou à l'évaporation. Aujourd'hui, des physiciens montrent qu'un tour similaire est possible sans eau, simplement par rayonnement de chaleur.

Dans l'eau bouillante, on peut voir une ébauche de ce tour de passe-passe quantique : si une partie du liquide se transforme en bulles de vapeur à longue durée de vie, la masse principale se refroidit.

Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.

Les lois quantiques règnent sans partage sur le monde microscopique, mais les objets macroscopiques se comportent généralement de manière classique : l'agitation thermique des atomes noie les effets quantiques.

Un vortex magnétique, ou skyrmion, ressemble à un minuscule tourbillon dans une mer de spins — les moments magnétiques intrinsèques des atomes.

Une clé USB ordinaire dans votre poche chauffe, même lorsqu'elle ne fait rien. Imaginez maintenant une mémoire qui, dans le froid, ne consomme presque rien — comme un thermos qui ne refroidit pas. Le supraconducteur conduit le courant sans pertes à la température de l'hélium liquide, mais il ne savait pas stocker de données.

Une bouilloire refroidit sur la table. La chaleur s'échappe dans l'air, et c'est du gaspillage. Pourtant, on pourrait en tirer un peu d'électricité. Les dispositifs capables de cela s'appellent des générateurs thermomagnétiques. À l'intérieur, pas de pistons ni de turbines, seulement un matériau qui modifie ses propriétés magnétiques lorsqu'il est chauffé ou refroidi.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Sur une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile qui a explosé — du gaz tombe en permanence. Ce gaz s'accumule aux pôles magnétiques et y forme une montagne. Mais une montagne sur une étoile à neutrons ne ressemble pas à une montagne terrestre : elle n'est pas maintenue par de la roche, mais par les lignes de force du champ magnétique, comme de la limaille de fer sur un aimant.

Deux minuscules grains de poussière flottent au croisement de faisceaux laser. Chacun est maintenu par sa propre « pince » – un faisceau focalisé qui empêche la particule de tomber. À l'intérieur d'une cavité miroir, la lumière rebondit entre les parois, et ses oscillations sont couplées aux tremblements des grains.

Un petit morceau de pellicule d'oxyde de zinc repose sur une table. On approche un aimant et on commence à le faire tourner lentement autour de la pellicule. La pellicule, plus fine qu'un cheveu humain, se met à changer de dimensions : elle se contracte, puis s'étire.

En général, le courant dans un métal agit comme de l'eau bouillante sur de la glace : il chauffe le matériau et détruit l'ordre magnétique. Mais dans une structure en couches composée de ditellurure de tungstène et du ferromagnétique Fe3GeTe2, le courant se comporte différemment.

Un morceau d'alliage d'europium et d'indium, refroidi sous champ magnétique, se comporte comme de l'eau qui ne gèle pas d'un coup, mais d'abord dans un coin du verre, puis dans un autre.

Un aimant sur un réfrigérateur tient grâce à une multitude d'atomes alignés dans la même direction. Et si l'on prenait un seul atome et qu'on lui demandait de se souvenir de la direction dans laquelle il a été aimanté ?

Lorsque les serveurs d'un centre de données fonctionnent à pleine puissance, ils chauffent comme un fer à repasser laissé sans surveillance. Cette chaleur part dans le vide, et le refroidissement consomme encore plus d'énergie. Des ingénieurs allemands ont proposé de mettre cette chaleur à profit : qu'elle pousse elle-même le liquide dans de fins tubes, sans aucun moteur ni pompe.

Une cellule solaire ordinaire fait une seule chose : quand le soleil brille, le courant circule. Ici, le soleil brille, mais le courant circule différemment selon le côté où l'on approche l'aimant.

Un réfrigérateur ordinaire dans une cuisine refroidit tout à une seule température. Mais dans les laboratoires où l'on étudie les phénomènes quantiques, on a souvent besoin de deux niveaux de froid différents. Auparavant, il fallait assembler deux circuits de refroidissement séparés — encombrant et lourd.

Un aimant n'aime pas que son champ pénètre dans un supraconducteur. Un morceau de plomb ordinaire, refroidi à des températures cryogéniques, repousse les lignes de champ magnétique – et lévite au-dessus de l'aimant. C'est l'effet Meissner-Ochsenfeld, découvert en 1933.

Par une journée chaude, le toit d'une voiture devient brûlant au point qu'on ne peut pas le toucher. Habituellement, pour refroidir une surface, il faut un climatiseur ou au moins de l'ombre. Mais il existe des matériaux qui se refroidissent d'eux-mêmes, simplement en réfléchissant la lumière du soleil et en émettant de la chaleur vers l'espace.

Un ion calcium dans un piège magnétique ressemble à une bille qui tremble constamment sous l'effet de la chaleur. Pour l'immobiliser, les physiciens le bombardent généralement de lasers venant de plusieurs directions. Mais dans cette nouvelle expérience, un seul faisceau dirigé le long de l'axe du piège a suffi.

Le soleil tape fort, mais le plâtre sur le bras reste frais. Le secret ? Un mince revêtement à base d'os animaux recyclés. Les surfaces rafraîchissantes classiques sont souvent rigides et fragiles : impossible de les coller sur un bandage incurvé. Ici, on a pris un plâtre en fibre de verre commercial, qui durcit rapidement, et on y a ajouté deux couches de polymères.

De minuscules particules en forme de fleurs savent faire deux choses à la fois : chauffer et indiquer à quel point elles sont chaudes. Ce n'est pas de la science-fiction, mais le résultat de travaux sur des nanoparticules en ferrite de cobalt, un matériau magnétique qui réagit au champ magnétique.

À l'intérieur du réfrigérateur qui refroidit la matière presque jusqu'au zéro absolu bat un cœur mécanique : le tube à pulsation. Il pompe le gaz et évacue la chaleur, mais avec le froid, il apporte des vibrations. Chaque battement de ce cœur secoue les instruments placés près de l'échantillon et gâche les mesures délicates.

La mémoire informatique ordinaire consomme constamment de l'énergie pour ne pas oublier ce qu'elle a enregistré. Un supraconducteur pourrait stocker des données sans perte, mais il est difficile de le faire basculer. Dans ces travaux, le supraconducteur est pris en sandwich entre deux isolateurs magnétiques.

La matière noire est invisible, mais c'est elle qui, selon les calculs, maintient les galaxies ensemble. Capturer ses particules, c'est un peu comme essayer d'entendre un murmure dans une pièce bruyante. Il faut un matériau qui réagisse de manière forte et visible à la moindre impulsion.

Une minuscule balançoire d'un nanogramme et demi ne se balance pas à cause du vent, mais à cause de la chaleur ambiante. Des physiciens l'ont presque arrêtée en la refroidissant à 0,006 degré au-dessus du zéro absolu.

Une machine thermique, c'est comme un voilier : pour avancer, il lui faut une différence. En général, c'est la différence de température entre les réservoirs chaud et froid. Mais que se passe-t-il si le réservoir lui-même se met en mouvement ?

Un conteneur fiable plutôt qu'un tube à essai fragile : c'est ainsi que l'on peut décrire le passage des pièges pour radicaux chimiquement réactifs au confinement de molécules stables. Jusqu'à présent, les pièges magnéto-optiques ne fonctionnaient qu'avec des particules prêtes à réagir au premier contact.

La température de la pièce baisse de quelques degrés pendant que le réfrigérateur fonctionne sans le moindre compresseur en mouvement. À l'intérieur, pas de fréon, mais un morceau de métal que l'on aimante et désaimante tour à tour.