Des physiciens développent une méthode pour produire de l’antimatière à partir de la lumière

Créer de l’antimatière artificiellement en dehors des accélérateurs de particules est théoriquement possible. En effet, le processus de Breit-Wheeler décrit comment la collision de deux photons gamma de haute énergie peut produire une paire électron-positron. Cependant, un tel mécanisme nécessite des lasers à photons gamma, et ceux-ci nous sont encore technologiquement hors de portée. Cependant, une équipe de physiciens a récemment démontré qu’il était possible de contourner ce problème en développant une solution expérimentale alternative.

Une équipe de physiciens a montré que des lasers à haute intensité peuvent être utilisés pour générer des collisions de photons gamma — les longueurs d’onde de la lumière les plus énergétiques — pour produire des paires électron-positron. Cela pourrait aider à comprendre les environnements autour de certains des objets les plus extrêmes de l’Univers : les étoiles à neutrons.

Le processus de création d’une paire de particules matière-antimatière — un électron et un positron — à partir de photons s’appelle le processus de Breit-Wheeler, et il est extrêmement difficile à réaliser expérimentalement. La probabilité que cela se produise lorsque deux photons entrent en collision est très faible. Il faut des photons de très haute énergie, ou rayons gamma, et en très grand nombre, pour maximiser les chances d’observation.

Nous n’avons pas encore la capacité de construire un laser à rayons gamma, de sorte que le processus de Breit-Wheeler photon-photon reste actuellement expérimentalement inachevé. Mais une équipe de physiciens dirigée par Yutong He de l’Université de Californie a proposé une nouvelle solution de contournement qui, selon leurs simulations, pourrait réellement fonctionner.

Production antimatière à partir de la lumière
Des physiciens développent une méthode pour produire de l’antimatière à partir de la lumière.
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L’aimant le plus fin du monde ne mesure qu’un atome d’épaisseur !

Une équipe de chercheurs américains a mis au point un aimant en oxyde de zinc et cobalt d’un seul atome d’épaisseur. Ses applications iraient de l’électronique de pointe, pour le stockage des données, jusqu’à la physique fondamentale avec l’étude des propriétés quantiques de la matière.

C’est l’aimant le plus fin du monde, et le record ne devrait pas être battu de sitôt… Puisque son épaisseur n’est que d’un atome ! D’ailleurs, les chercheurs de l’Université de Californie (Lawrence Berkeley National Laboratory) à l’origine de sa fabrication le qualifient d’objet à deux dimensions : longueur et largeur. L’épaisseur étant de fait négligeable…

“Nous sommes les premiers à fabriquer un aimant à 2D chimiquement stable dans les conditions de températures et pressions ambiantes”, se félicite sur le site des Berkeley Labs Jie Yao, l’un des coauteurs de l’étude. “Cette découverte est excitante non seulement parce qu’il s’agit de magnétisme à deux dimensions, mais aussi parce que cela permet d’explorer un nouveau mécanisme pour y parvenir”, renchérit Rui Chen, également de Berkeley. Jusqu’à présent, les aimants 2D perdaient leur magnétisme à température ambiante. Celui-ci le conserve jusqu’à 100 °C, ce qui constitue une avancée majeure pour des applications en électronique.

Aimant 2D
L’aimant fabriqué par les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory est une couche d’oxyde de zinc dopée avec des atomes de cobalt. Cette couche ne mesure qu’un atome d’épaisseur. (Source : Berkeley Lab)
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Découverte d’un nouveau matériau inorganique présentant la plus faible conductivité thermique jamais observée

a progression rapide des technologies engendre une demande de matériaux toujours plus performants, notamment au niveau de la conductivité électrique pour de meilleures performances et une consommation énergétique moindre. Un autre facteur clé dans la conception de systèmes électroniques (ou mécaniques) performants est la conductivité thermique, dont la nécessité d’obtenir des matériaux à faible conductivité thermique permettant d’isoler au mieux les différents composants ou d’augmenter l’efficacité énergétique. Récemment, des chercheurs ont découvert un nouveau matériau inorganique présentant la plus faible conductivité thermique jamais mesurée.

Cette découverte ouvre la voie à des applications technologiques dans de nombreux domaines et permettra le développement matériaux thermoélectriques essentiels pour une société durable. L’équipe de recherche collaborative à son origine, dirigée par l’Université de Liverpool, présente ici une véritable percée dans le contrôle du flux thermique à l’échelle atomique.

Elle offre de nouvelles perspectives fondamentales sur la gestion de l’énergie. La nouvelle compréhension qui résulte de cette étude accélérera notamment le développement de nouveaux matériaux pour la conversion de la chaleur résiduelle en énergie et pour l’utilisation efficace des carburants. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Matt Rosseinsky du département de chimie et de la Materials Innovation Factory de l’université de Liverpool et par le docteur Jon Alaria du département de physique et du Stephenson Institute for Renewable Energy, a conçu et synthétisé le nouveau matériau de manière à combiner deux arrangements différents d’atomes, dont ils ont constaté qu’ils ralentissaient chacun la vitesse à laquelle la chaleur se déplace dans la structure d’un solide.

Nouveau matériau inorganique avec faible conductivité thermique
Des chercheurs ont découvert un nouveau matériau inorganique présentant la plus faible conductivité thermique jamais mesurée (Source : University of Liverpool).
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Des « microfibres » de glace qui se plient sans rompre

Une équipe de chercheurs a créé de fines fibres de glace quasi parfaites, capables de se courber pratiquement en cercle et de s’étirer. Un matériau qui transmet la lumière aussi efficacement qu’une fibre optique.

Avez-vous déjà essayé de plier une stalagmite de glace ? Impossible : celle-ci va casser en deux comme un spaghetti si vous essayez de la tordre. Une équipe de chercheurs de l’université de Zhejiang en Chine a pourtant réussi à fabriquer des brins de glace ultrafins, à la fois flexibles et élastiques. Encore mieux : ces « fibres de glace » conduisent remarquablement bien la lumière, comme une fibre optique.

Théoriquement, la glace a pourtant une limite de déformation élastique de 15 % environ. Mais dans la réalité, elle se brise dès que l’on essaye de l’étirer de plus de 0,1 % en raison des imperfections et des irrégularités de surface. Ces microfissures concentrent le stress mécanique et dispersent la lumière, ce qui rend la glace fragile et opaque. Afin d’améliorer ses propriétés, Limin Tong et ses collègues ont donc cherché à éliminer ces imperfections.

Glace pliable
Une fibre de glace aussi flexible qu’un spaghetti mouillé, c’est possible ! (Source : Peizhen Xu et al./Science)
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Un nouveau microscope quantique offre une capacité d’observation révolutionnaire

L’avènement de la technologie laser a permis d’obtenir des lumières plus intenses et concentrées qui, utilisées dans la microscopie, ont offert la possibilité aux scientifiques d’observer des détails à très petites échelles. Cependant, la microscopie laser comporte un problème : les échantillons peuvent être rapidement dégradés dans le processus. Pour contourner cet obstacle, une équipe de chercheurs a mis au point une méthode de microscopie basée sur l’intrication quantique. Cette dernière leur a permis d’observer des détails encore plus précisément sans poser de dangers à l’échantillon.

Dans un article publié dans la revue Nature, des chercheurs australiens et allemands ont montré que les technologies quantiques offrent une solution aux problèmes posés par la microscopie laser. Ils ont construit un microscope quantique qui peut sonder plus doucement des échantillons biologiques, ce qui leur a permis d’observer des structures biologiques qui seraient autrement impossibles à voir.

La création d’un microscope évitant les dommages aux échantillons est une étape très attendue dans la technologie quantique. Elle représente une première étape dans une nouvelle ère passionnante pour la microscopie, et plus largement pour les technologies de détection. Les microscopes ont une longue histoire. On pense qu’ils ont été inventés pour la première fois par le fabricant de lentilles néerlandais Zacharias Janssen au tournant du XVIIe siècle. Il les a peut-être utilisés pour contrefaire des pièces de monnaie.

Ce début mouvementé a conduit à la découverte des bactéries, des cellules et essentiellement de toute la microbiologie telle que nous la comprenons maintenant. L’invention plus récente des lasers a fourni un nouveau type de lumière focalisée. Cela a rendu possible une toute nouvelle approche de la microscopie. Les microscopes laser nous permettent de voir la biologie avec des détails vraiment profonds, 10 000 fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain.

Nouveau microscope quantique
Une nouvelle méthode révolutionnaire de microscopie basée sur l’intrication quantique (Source : Laser Focus).
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Un matériau à base de nanotubes de carbone produit de l’électricité en utilisant l’énergie de son environnement

Des ingénieurs du MIT ont découvert une nouvelle façon de produire de l’électricité en utilisant de minuscules particules de carbone pouvant générer un courant électrique simplement en interagissant avec le liquide qui les entoure. Le liquide, un solvant organique, attire les électrons des particules, générant un courant qui pourrait être utilisé pour initier des réactions chimiques dans le but d’alimenter des capteurs biomédicaux ou des robots à l’échelle micro ou nanométrique.

« Ce mécanisme est nouveau, et cette façon de générer de l’énergie est complètement nouvelle. Cette technologie est intrigante car tout ce que vous avez à faire est de faire passer un solvant à travers un groupe de ces particules. Cela vous permet de faire de l’électrochimie, mais sans fil », déclare Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT.

Dans une nouvelle étude décrivant ce phénomène, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser ce courant électrique pour entraîner une réaction connue sous le nom d’oxydation de l’alcool, une réaction chimique organique importante dans l’industrie chimique. La nouvelle découverte est née des recherches de Strano sur les nanotubes de carbone, des tubes creux constitués d’un réseau d’atomes de carbone, qui ont des propriétés électriques uniques.

En 2010, Strano a démontré, pour la première fois, que les nanotubes de carbone peuvent générer des « ondes thermoélectriques ». Lorsqu’un nanotube de carbone est recouvert d’une couche de combustible, des impulsions de chaleur en mouvement ou des ondes thermoélectriques se déplacent le long du tube, créant un courant électrique.

nanotube de carbone
Nanotube de carbone.
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Des physiciens recréent la matière primitive de l’Univers

À quoi ressemblaient les premiers instants de l’Univers ? C’est un mystère que les scientifiques tentent de percer depuis des décennies. La collaboration ALICE du CERN est spécialiste du sujet : ce détecteur (A Large Ion Collider Experiment) a été conçu pour étudier le plasma quarks-gluons, une phase de matière qui aurait existé juste après le Big Bang. Et l’équipe est récemment parvenue à recréer et à caractériser cette toute première matière hypothétique, grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Quelles sont les propriétés de la matière aux densités et températures extrêmes des prémices de l’Univers ? Les scientifiques de la collaboration ALICE disposent enfin de quelques éléments de réponse. La matière obtenue n’a persisté qu’une fraction de seconde, mais suffisamment longtemps pour que les scientifiques puissent en étudier les caractéristiques pour la toute première fois.

Il s’avère que ce plasma est de type liquide et cette découverte pourrait permettre de mieux comprendre comment l’Univers primitif a évolué lors de la première microseconde qui a suivi le Big Bang. Pour reproduire cette matière primitive, l’équipe a initié des collisions d’ions lourds (de plomb) à haute énergie (5 TeV) au sein du LHC.

Pour rappel, les quarks sont des particules élémentaires qui s’associent pour former des protons et des neutrons (entre autres). Les quarks sont liés entre eux via une interaction forte, médiée par des particules appelées gluons. Les collisions qui se produisent dans le LHC génèrent des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles du centre du Soleil. Dans ces conditions extrêmes, les protons et les neutrons se décomposent, libérant au passage les quarks et les gluons qui les constituent : on obtient ainsi le fameux plasma quarks-gluons.

Alice CERN
Une vue d’Alice (A Large Ion Collider Experiment) au Cern. Ce détecteur géant permet d’explorer la physique du plasma de quarks-gluons au LHC. (Source : CERN)
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Une nouvelle batterie qui charge 10 fois plus vite qu’une lithium-ion classique

Bien qu’elles soient aujourd’hui largement répandues dans le monde entier, équipant de très nombreux appareils électroniques du quotidien, les batteries lithium-ion présentent un certain nombre de problèmes, notamment : un risque d’incendie et une perte de performance à basse température ; ainsi qu’un impact environnemental considérable lors de la mise au rebut des batteries usagées. Pour contourner ces écueils, une équipe de chimistes russes a mis au point une nouvelle batterie basée sur un polymère différent, peu cher et respectueux de l’environnement, assurant une charge 10 fois plus rapide qu’une batterie lithium-ion traditionnelle.

Selon Oleg Levin, professeur au département d’électrochimie de l’Université de Saint-Pétersbourg, les chimistes ont exploré les polymères contenant du nitroxyle à activité redox comme matériaux pour le stockage d’énergie électrochimique. Ces polymères se caractérisent par une densité d’énergie élevée et une vitesse de charge et de décharge rapide, grâce à une cinétique redox rapide. Un défi pour la mise en œuvre d’une telle technologie est la conductivité électrique insuffisante. Cela empêche la collecte des charges, même avec des additifs hautement conducteurs tels que le carbone.

À la recherche de solutions pour surmonter ce problème, les chercheurs de l’Université de Saint-Pétersbourg ont synthétisé un polymère à base du complexe nickel-salen (NiSalen). Les molécules de ce métallopolymère agissent comme un fil moléculaire auquel sont attachés des groupements nitroxyl actifs. L’architecture moléculaire du matériau permet d’obtenir des performances de haute capacité sur une large plage de températures.

« Nous avons imaginé le concept de ce matériau en 2016. En étudiant le mécanisme de transport de charge dans cette classe de composés, nous avons découvert qu’il existe deux directions clés de développement. Premièrement, ces composés peuvent être utilisés comme couche de protection pour recouvrir le câble conducteur principal de la batterie, qui serait sinon constitué de matériaux de batterie lithium-ion traditionnels. Et deuxièmement, ils peuvent être utilisés comme composant actif de matériaux de stockage d’énergie électrochimique », explique Levin.

Nouvelle batterie charge 10 fois plus rapide

Une nouvelle batterie qui charge 10 fois plus vite qu’une lithium-ion classique.

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Le LHC a découvert plus de 50 nouvelles particules !

Le LHC, le plus grand accélérateur de particules au monde, ne va pas tarder à entrer à nouveau en service après plusieurs upgrades. Les physiciens des particules font tout de même savoir que les données collectées dans les précédentes expériences ont finalement permis de découvrir 59 nouveaux hadrons composés de quarks.

Le CERN a mis récemment en ligne un communiqué qui en a certainement surpris plus d’un. Il fait un bilan sur le nombre de particules découvertes avec les collisions de protons au LHC dans des détecteurs géants comme Atlas, CMS et surtout LHCb (Alice sert surtout à explorer la physique du quagma, le plasma de quarks et de gluons, avec des collisions d’ions lourds).

On pouvait penser qu’il y en avait une dizaine tout au plus, avec pour commencer bien évidemment le mythique boson de Brout-Englert-Higgs qui a valu le prix Nobel de physique en 2013 aux principaux théoriciens qui ont postulé son existence et qui sont encore vivants. Il y a eu également des annonces portant sur la mise en évidence d’hadrons exotiques contenant plus de trois quarks, en l’occurrence des tétraquarks et des pentaquarks. Mais, en fait, ce ne sont pas moins de 59 nouveaux hadrons qui ont été découverts et les derniers sont mentionnés dans un article en accès libre sur arXiv, déposé par les membres de la collaboration LHCb.

Disons-le tout de suite, il ne s’agit aucunement de particules élémentaires et elles sont toutes constituées de particules du modèle standard, à savoir les quarks et les gluons. Les quarks ont été découverts théoriquement d’abord en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig. Les gluons, les cousins des photons décrivant les forces nucléaires fortes entre ces quarks et dont l’énergie est responsable de l’essentiel des masses des protons, des neutrons, et plus généralement de tous les hadrons contenant des quarks ont, eux, été postulés théoriquement en 1972, par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann. La première preuve de leur existence a, elle, été fournie en 1979.

Collision particules LHC

Illustration de collision de particules au LHC.

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Des scientifiques effectuent les toutes premières mesures sur l’einsteinium !

Les éléments dits « transplutonium » (de numéros atomiques 95 à 103) sont un groupe de métaux qui se trouvent dans la dernière rangée du tableau périodique. La compréhension des propriétés de ces éléments lourds s’avère limitée, du fait de leur rareté et de leur radioactivité. L’un d’eux, l’einsteinium (99Es), demeure particulièrement mystérieux. Mais des scientifiques sont parvenus pour la première fois à synthétiser une quantité suffisante de cet élément pour l’étudier d’un peu plus près.

L’einsteinium, du nom du célèbre physicien, a été découvert en 1952 par le physicien nucléaire américain Albert Ghiorso, à partir des débris de la première bombe à hydrogène ; l’homme est d’ailleurs à l’origine de la découverte de 12 éléments du tableau périodique (de l’américium 95Am, au seaborgium 106Sg). Mais l’einsteinium est très difficile à étudier ; la synthèse de ses isotopes, qui sont tous extrêmement radioactifs, est complexe et leur demi-vie (ou période radioactive, soit le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux se désintègrent) dure moins d’un an.

L’einsteinium appartient à la famille des actinides. Il est donc supposé suivre les mêmes modèles de prédiction de réactivité physico-chimique. Or, il s’avère que ces modèles ne sont pas vraiment applicables aux éléments transplutonium. La réaction de l’einsteinium en particulier, de par sa taille et certains effets relativistes, est difficile à cerner. Des chercheurs du laboratoire national Lawrence-Berkeley ont donc réalisé une série d’expériences pour caractériser cet élément méconnu.

Comme pour tous les éléments transuraniens — les éléments plus lourds que l’uranium 92U — l’einsteinium (de masse atomique 252 et 99 protons) nécessite une physique conséquente pour être produit. Sa synthèse consiste à bombarder de neutrons des atomes plus petits, tels que le curium (96Cm), dans un réacteur nucléaire. Les premiers « fragments » d’einsteinium (une dizaine de nanogrammes à peine) ont ainsi été obtenus dans les années 1960 ; les tentatives ultérieures ont abouti à des échantillons impurs.

Einsteinium

Tube de quartz contenant environ 300 µg d’einsteinium 253. La lumière produite est le résultat de intense émission de particules alpha issues de sa désintégration.

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