dispositif thermoélectrique

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

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 batterie ordinaire libère la chaleur de manière régulière : elle restitue ce qu'elle a accumulé. La puissance est fixée une fois pour toutes — comme un robinet dont l'eau coule en un seul jet. Mais parfois, on n'a pas besoin d'un flux régulier, mais d'une brève et puissante décharge : chauffer instantanément une pièce, déclencher une réaction, évacuer un excès de chaleur.

Si l'on fait passer un courant dans deux conducteurs soudés ensemble, le point de soudure se réchauffe ou se refroidit : c'est l'effet Peltier, utilisé dans les réfrigérateurs de voiture.

Le plasma micro-onde en tourbillon, c'est comme un mixeur de cuisine qui chauffe et mélange le gaz simultanément. Dans le réacteur, le gaz est mis en rotation, et les micro-ondes le portent à des milliers de degrés, brisant les molécules de dioxyde de carbone.

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.

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.

Jetez un caillou dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. De la même manière, tout corps, même le plus petit, perturbe le champ gravitationnel qui l'entoure. Dans le vide froid de l'espace, ces perturbations, telles des rides sur une surface calme, font que deux objets proches se repoussent toujours.

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.

Dans un verre d'eau, l'huile se rassemble en gouttelettes : c'est une séparation à l'équilibre, dictée par la chimie. Mais il existe des systèmes où l'ordre naît non pas du repos, mais d'un flux d'énergie constant.

En thermodynamique classique, les machines thermiques ressemblent à un virtuose sur scène : plus l'interprétation se rapproche de la perfection (rendement de Carnot), plus le tempo (puissance) ralentit.

Imaginez l'eau comme une salle de bal où chaque molécule est un danseur qui s'engage dans des unions éphémères. Ces liaisons hydrogène créent des motifs locaux : certains évoquent une valse guindée — un réseau ordonné avec des vides (structure de basse densité) —, d'autres un jitterbug endiablé, où les partenaires se serrent en amas denses et chaotiques.

L'eau n'est pas qu'une substance mouillée. À l'échelle des picosecondes, elle ressemble à une piste de danse où les molécules ne cessent de rompre et de créer des liaisons entre elles. Habituellement, cette danse est décrite par un mouvement principal : la relaxation collective, comme si toute la foule ralentissait d'un coup après l'arrêt de la musique.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs supermassifs. L'un d'eux — Sagittaire A* au cœur de la Voie lactée — est devenu un terrain d'essai pour une nouvelle idée. Les auteurs de l'étude ont pris la gravité einsteinienne et y ont ajouté un champ électromagnétique inhabituel.

À l'intérieur des réacteurs détruits de Fukushima reposent des centaines de tonnes de combustible fondu — un mélange d'uranium, de zirconium, de fer et de produits de fission. Ces débris sont appelés débris de combustible. Ils devront être extraits, transportés et emballés de manière sûre pour des décennies.

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.

La chaleur nous entoure partout : du pot d'échappement d'une voiture au boîtier d'un ordinateur portable en fonctionnement. Les matériaux thermoélectriques pourraient convertir cette chaleur perdue en électricité.

Les mondes bidimensionnels ne cessent de surprendre : ici, même la fusion d'un cristal n'est pas une rupture de symétrie, mais un spectacle de vortex, découvert par Kosterlitz et Thouless. Au cœur de ce théâtre se trouvent des singularités topologiques, dont l'énergie et l'entropie négocient l'ordre.

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.

Trois cordes de guitare sur un même instrument, mais les chevilles de chacune tournent avec une force différente : l'une cède immédiatement, l'autre tourne difficilement, et la troisième se bloque carrément.

Le thé dans une tasse refroidit tranquillement sur la table. Mais si vous passez à proximité à une vitesse proche de celle de la lumière, le thermomètre indiquera une valeur plus élevée — bien que personne n'ait réchauffé le thé. Les calculs le confirment : l'aiguille montera. Il y a cent ans, les physiciens étaient divisés en trois camps.

Un glaçon dans un thé chaud fond exactement à zéro degré. Mais si la glace est faite de particules subatomiques et que le thé est de la matière nucléaire surchauffée ?

Une diode classique en électronique fonctionne comme une route à sens unique : le courant ne circule que dans un seul sens. Dans les supraconducteurs, où l'électricité circule sans résistance, un tel comportement est resté longtemps difficile à obtenir — le courant est généralement symétrique.

Si l'on chauffe un clou dans un feu, il s'allonge — tout le monde le sait. Mais si l'on ne chauffe que la pointe en laissant l'autre extrémité froide, le clou ne se contente pas de s'allonger : il se courbe, car le métal chaud se dilate plus que le métal froid. C'est précisément cette flexion, mais à l'échelle atomique, que des physiciens ont transformée en électricité.

Une barre métallique chauffée devient soudainement rigide et perd ou gagne des propriétés magnétiques. Dans les alliages à base de nickel et de manganèse, ces transformations ne se produisent pas progressivement mais par sauts : les atomes se réorganisent dans un nouvel ordre et le matériau change de comportement.

Une machine thermique n'est pas obligée d'être en fer. Dans le monde microscopique, un électron unique peut jouer le rôle de piston, et le processus de mesure lui-même peut servir de carburant. Deux « poches » voisines pour électrons sont reliées par un pont étroit.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

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.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

Un morceau de métal chauffé à blanc dans un four, c'est comme une poêle sur la cuisinière : plus la chaleur est forte, plus elle se propage vite dans votre main si vous la touchez.

Un piège magnétique en forme de beignet confine un plasma de bore et d'hydrogène. À l'intérieur, la température dépasse les cent millions de degrés — plus chaud qu'au cœur du Soleil. À cette chaleur, les noyaux entrent en collision et fusionnent, libérant de l'énergie.

Dans un cristal isolant, la chaleur se propage généralement de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Mais si l'on active un champ magnétique, une partie du flux thermique dévie sur le côté — comme l'eau qui, en dévalant une pente, est légèrement poussée latéralement par le vent. Ce comportement est appelé effet Hall thermique.

Si l'on pousse de la chaleur à travers un morceau de quartz, elle va généralement tout droit, comme l'eau dans un tuyau. Mais dès que l'on active un champ magnétique, le flux dévie légèrement sur le côté — comme si le tuyau avait soudainement une dérivation latérale.

Un morceau de métal chauffé à une extrémité produit un faible courant électrique : on le sait depuis près de deux cents ans. Mais que se passerait-il si, au lieu d'un simple métal, on prenait un « sandwich » à plusieurs couches : un supraconducteur, un isolant mince et une couche plane d'électrons ?

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.

Un nageur qui fend l'eau à la vitesse des vagues qui courent à sa surface se retrouve dans une situation étrange : les vagues qu'il crée lui-même ne peuvent ni le dépasser ni rester en arrière. Elles s'accumulent à la proue du nageur et se figent.