transport de chaleur quantique

Dans une chambre ultra-froide, deux nuages d'atomes entrent en collision : quelques dizaines d'atomes de césium, qui jouent le rôle de fluide de travail, et des milliers d'atomes de rubidium, qui forment le réservoir de chaleur.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

Le trou noir de Kerr-NUT n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une solution des équations d'Einstein où le trou possède une masse, une rotation et un étrange paramètre NUT. Il se comporte comme une charge magnétique pour la gravité : en apparence invisible, mais il modifie les propriétés de l'espace environnant.

Le thé chaud refroidit, la glace fond — la chaleur passe toujours du chaud au froid, et cette loi semblait inébranlable. Mais dans le monde quantique, même les règles familières peuvent être réécrites.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

La vieille question du démon de Maxwell — une créature intelligente peut-elle contourner la deuxième loi de la thermodynamique et pomper la chaleur du froid vers le chaud ? — trouve un nouvel écho dans le monde quantique.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Dans une casserole, l'eau bout : les bulles bouillonnent, la chaleur s'échappe rapidement dans l'air. Au centre du réacteur à fusion ARC, le plasma se comporte de la même manière – seulement au lieu de bulles, il y a des tourbillons turbulents, et au lieu de l'air, un champ magnétique qui doit retenir la chaleur.

Une casserole de soupe oubliée sur la cuisinière refroidit jusqu'à la température ambiante. On dirait que tout est revenu au calme. Mais si on regarde à l'intérieur avec une loupe quantique, on découvre que les molécules d'eau ne sont pas figées : elles continuent leur danse. Simplement, cette danse est devenue régulière, et non plus tumultueuse comme lors de l'ébullition.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

Parmi les aimants, il existe de discrets maîtres de la métamorphose. Un aimant ordinaire attire les trombones et possède deux pôles – nord et sud. Mais il existe des matériaux qui, à l'intérieur, sont organisés comme un échiquier magnétique : leurs atomes sont alignés selon un ordre strict, mais à l'extérieur, le matériau se comporte de manière neutre, comme s'il n'y avait pas d'aimant du tout.

Dans un canal mince de semi-conducteur, les électrons ne se comportent pas comme des individus, mais comme une foule à l'heure de pointe. Ils ne cessent d'entrer en collision les uns avec les autres, et ces collisions déterminent la facilité avec laquelle la chaleur et le courant électrique traversent le matériau.

La lumière et les atomes, comme des danseurs, peuvent se mouvoir à l'unisson ou en désordre. Lorsque leur interaction est anisotrope — c'est-à-dire qu'elle dépend de la direction — la danse se complique.

Le plasma chaud dans un tokamak ressemble à un animal capricieux : il faut le contenir tout en évitant qu'il ne surchauffe. Dans le réacteur ASDEX Upgrade, on a trouvé un régime où les tourbillons du plasma résolvent eux-mêmes ce problème.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

Une couche d'électrons confinée entre deux plaques de semi-conducteur s'aligne à basse température en un réseau bien ordonné — comme des perles sur un fil tendu entre les doigts. Dès que la température monte, l'ordre s'effondre : le cristal fond. Mais comment il fond exactement est longtemps resté une énigme.

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.

Dans un congélateur, l'eau ordinaire se transforme en glace, mais dans les cellules vivantes, une telle glace est une catastrophe : les cristaux acérés déchirent les membranes comme des aiguilles percent un ballon de baudruche. Les scientifiques qui préservent des cellules pour la médecine ont appris à éviter ce fléau, mais chaque méthode parle son propre langage.

Toute machine, qu'il s'agisse d'un moteur de voiture ou d'un minuscule nanoréfrigérateur, fonctionne avec des tremblements. Le carburant brûle de manière irrégulière, les électrons traversent les contacts sans respecter d'horaire – et l'aiguille de puissance sur les instruments vibre légèrement. Ces vibrations sont appelées fluctuations.

Si l'on fait passer un courant dans un fil, le fil chauffe. Tout le monde le sait, surtout ceux qui ont déjà touché un chargeur de téléphone. Les physiciens appellent cela l'effet Joule, en l'honneur de James Joule, qui, au milieu du XIXe siècle, a mesuré la quantité de chaleur produite par l'électricité.

Les glaçons dans un verre fondent et l'eau se mélange d'elle-même. C'est le comportement de nombreux systèmes quantiques : les particules échangent de l'énergie et, au bout d'un certain temps, l'ordre disparaît.

L'eau dans un verre refroidit, la glace fond, et la bouilloire chauffe la cuisinière : c'est ainsi que fonctionne le monde, la chaleur va toujours du chaud vers le froid. C'est le deuxième principe de la thermodynamique, une loi qui n'a jamais été violée.

L'eau coule toujours vers le bas, et la chaleur va du chaud au froid. C'est ce que dicte l'entropie. Mais le monde quantique trouve des failles. Des physiciens ont fait interagir des particules de lumière avec des milieux chaud et froid dans un ordre indéterminé — comme une pièce lancée en l'air qui n'est pas encore retombée.

Dans un cryostat à dilution refroidi à 170 millikelvins naît un état cohérent du champ micro-onde. C'est une lumière laser avec une incertitude minimale : son amplitude et sa phase sont définies aussi précisément que la mécanique quantique le permet.

Une vague déferle sur le sable, laissant un motif d'écume et de coquillages. Un instant plus tard, elle se retire, mais les traces ne sont plus les mêmes : le sable est lissé, les coquillages retournés. Quelque chose de semblable se produit dans le monde quantique lorsqu'un système passe d'un état hors d'équilibre à l'équilibre.

L'intrication quantique ressemble à un ressort invisible entre les particules – comprimez l'une, et l'autre réagit, où qu'elle soit. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont construit un modèle de quatre spins (petites aiguilles magnétiques) en chaîne, où les spins extrêmes sont maintenus par un champ magnétique local.