Sous un désordre enchevêtré de tuyaux, tubes, jauges, plaques métalliques, pompes et ruban adhésif se trouve un endroit plus froid que l’espace. Travaillant dans cet environnement de chaos organisé, l’équipe Quantum Matter du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge commence à dévoiler les propriétés quantiques exotiques des matériaux super froids dans un réfrigérateur de la taille d’un SUV.
Parce que les humains peuvent facilement percevoir la différence entre le chaud et le froid, la température est une caractéristique de la science que les gens ont une compréhension assez intuitive. Mais ce que les gens ressentent réellement lorsqu’ils distinguent le chaud du froid, c’est la quantité d’énergie thermique contenue dans un système – un cornet de crème glacée, par exemple, contient moins d’énergie thermique qu’un bol de soupe chaude. Et comme cette énergie provient du mouvement des atomes et des molécules dans une substance, cela signifie que les molécules de soupe bougent plus que celles de la crème glacée.
L’équipe de l’Université de Cambridge, cependant, surveille l’énergie à un niveau plus extrême en essayant de s’approcher du zéro absolu – la température la plus froide permise par les lois de la thermodynamique. Le zéro absolu, techniquement connu sous le nom de zéro kelvins, équivaut à -273,15 degrés Celsius, ou -459,67 Fahrenheit, et marque l’endroit sur le thermomètre où un système atteint sa plus faible énergie possible, ou mouvement thermique.
Il y a un hic, cependant: le zéro absolu est impossible à atteindre. La raison est liée à la quantité de travail nécessaire pour éliminer la chaleur d’une substance, qui augmente considérablement plus vous essayez de vous refroidir. Pour atteindre zéro kelvins, vous auriez besoin d’une quantité infinie de travail. Et même si vous pouviez y arriver, la mécanique quantique dicte que les atomes et les molécules auraient encore un mouvement irréductible.
La mécanique quantique signifie également que plus ces chercheurs se rapprochent du zéro absolu, plus les propriétés d’une substance deviennent étranges. À des températures suffisamment basses, l’hélium liquide, par exemple, se transforme en un superfluide – un liquide qui s’écoule sans résistance au frottement. En conséquence, il peut s’écouler spontanément vers le haut et hors d’un récipient; s’infiltrer à travers des fissures minces en molécules; rester parfaitement immobile tout en tournant à des vitesses élevées; et – le plus surprenant pour les physiciens – se fondent en un «super-atome», connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Travaillant à environ 1 à 10 millikelvins, soit des millièmes de kelvin, l’équipe de Cavendish est en train d’étudier une variété d’autres matériaux qui montrent également un comportement quantique funky. Et la technologie que le groupe utilise pour atteindre des températures aussi glaciales est presque aussi compliquée que le comportement qu’il essaie d’induire.
Le voyage vers le zéro absolu a commencé au début Dans les années 1700, lorsque Guillaume Amontons affirma que si la température est la mesure de la chaleur dans un système, il doit y avoir une température la plus basse possible. Pourtant, ce n’est que deux siècles plus tard que la théorie d’Amonton trouvera sa place dans l’expérimentation. À l’Université de Leiden, Heike Kamerlingh Onnes et ses collègues ont couru contre d’autres dans le monde pour développer des techniques de liquéfaction de l’hélium. Après de nombreuses tentatives infructueuses, ils ont réussi, et dit Dirk van Delft, directeur du Museum Boerhaave, la Nationa néerlandaise l Musée d’histoire des sciences et de la médecine, « Leiden est brièvement devenue l’endroit le plus froid de la planète. »
Le succès d’Onnes est finalement venu grâce à l’une des premières formes de réfrigération à haute puissance. Comme les réfrigérateurs de tous les jours, le système de refroidissement du laboratoire d’Onnes et désormais des laboratoires du monde entier fonctionne en cycle. Le processus de refroidissement lui-même est similaire à ce qui se passe lorsque vous soufflez sur une tasse de café chaud pour la refroidir. Lorsque la personne souffle, les molécules de café les plus chaotiques et les plus rapides sont encouragées à s’évaporer et, par conséquent, à s’éloigner de la tasse. Les molécules laissées derrière se déplacent en moyenne plus lentement, ce qui fait du café une température plus potable. Contrairement aux réfrigérateurs ordinaires qui utilisent la vapeur de l’intérieur du réfrigérateur, cependant, Onnes a utilisé de l’hélium à l’état gazeux et de l’hydrogène et de l’oxygène à l’état liquide pour atteindre de basses températures.
En faisant passer de l’hélium gazeux à travers une chambre baignée d’hydrogène liquide froid et d’air, le groupe d’Onnes a réussi à atteindre une température où l’équivalent d’une petite tasse de thé d’hélium pourrait se liquéfier. Ce faisant, l’excès de chaleur de l’état gazeux s’est dissipé et le système a atteint une température à peine six
kelvins au-dessus du zéro absolu – la tentative la plus proche de son temps. Cette recherche a valu à Onnes le prix Nobel en 1913. Il a également découvert accidentellement la supraconductivité, la capacité d’une substance à transporter le courant électrique sans résistance. Cette propriété rend possible, entre autres, les puissants aimants supraconducteurs utilisés dans les détecteurs IRM actuels et les accélérateurs de particules géants.
Les meilleurs systèmes de réfrigération au monde aujourd’hui sont basés sur les travaux originaux d’Onnes, mais ils peuvent désormais atteindre quelques millikelvins, en utilisant deux isotopes différents de l’hélium. Contrairement à la plupart des liquides, qui gèlent et se transforment en solide à un certain point de température, l’hélium reste liquide jusqu’au zéro absolu. Parce que ses atomes sont si légers à ces températures, l’hélium est faiblement attiré vers d’autres atomes d’hélium de sorte qu’ils se retrouvent enfermés dans un mouvement persistant, connu sous le nom de mouvement du point zéro, un effet de mécanique quantique défini par le principe d’incertitude de Heisenberg.
Fonctionnant dans ce qui est essentiellement une boucle fermée, l’hélium agit presque exactement comme ces molécules de café désordonnées dans votre tasse et dissipe l’excès de chaleur dans l’environnement lors de sa circulation. Lorsque l’isotope d’hélium-3 migre vers l’isotope d’hélium-4 en raison des différences d’attraction et de pression provoquées par l’appareil frigorifique, il absorbe la chaleur et refroidit l’ensemble du système jusqu’au niveau du millikelvin.
Le laboratoire de Cambridge utilise ce type de réfrigérateur pour inspecter de nombreux types de matériaux et propriétés des matériaux. Le plus surprenant d’entre eux est peut-être le germanure de fer, YFe2Ge2. À basse température, ce matériau à base de fer se déforme en un supraconducteur. «La découverte la plus surprenante est vraiment l’existence de YFe2Ge2 en tant que supraconducteur», déclare Keiron Murphy, doctorant dans le groupe Cambridge Quantum Matter.
Le fer, explique-t-il, détruit généralement toutes les propriétés supraconductrices d’un matériau. , quelle que soit la température, en raison de la nature magnétique du fer. La supraconductivité a de nombreuses applications en science, en médecine et en informatique, et chaque nouveau supraconducteur peut aider à promouvoir une nouvelle technologie. Grâce aux travaux de ce laboratoire, YFe2Ge2 est désormais considéré comme un matériau de référence pour étudier la supraconductivité dans des composés avec une structure de fer similaire.
Malheureusement, dit Murphy, les états quantiques sont «intrinsèquement fragiles», et une partie substantielle des propriétés intéressantes qui apparaissent naturellement dans certains matériaux sont «submergées par les vibrations à des températures plus élevées . » Fonctionnant à environ 1 à 10 millikelvins, le groupe Quantum Matter peut effectuer des mesures à ces températures pendant plusieurs mois. Mais le groupe est actuellement en train de développer un autre réfrigérateur plus efficace qui peut supporter ces basses températures plus longtemps.
Avec ce nouveau réfrigérateur, l’équipe examinera d’autres matériaux à base de fer à basse température pendant des périodes prolongées et continuera également à travailler avec des matériaux connus sous le nom de semi-métaux topologiques, tels que ZrSiS. Le comportement magnétique à basse température des semi-métaux topologiques est en grande partie un mystère, car leurs propriétés sont dominées par leur topologie (ou la disposition de ses pièces), pas par leurs éléments constitutifs. Et l’équipe de Cambridge est prête à dénicher leurs énigmes une fois que le nouveau réfrigérateur sera opérationnel.
Des propriétés physiques étranges se développent sous les températures extrêmes, et les implications de ces qualités bizarres sont apparemment illimitées. Des techniques de surfusion telles que le ceux utilisés dans la réfrigération par dilution sont essentiels pour un large éventail de disciplines: recherche sur les ondes gravitationnelles, supraconductivité, spintronique, calcul quantique et autres technologies émergentes. Pour atténuer les tensions à haute température, le travail au zéro absolu est crucial pour comprendre et découvrir de nombreuses inconnues en mécanique quantique et en physique en général.
« À ces températures, nous avons accès à un monde de phénomènes exotiques, et les matériaux qui étaient autrefois ordinaires deviennent extraordinaires », explique Murphy.