Certains ions échapperaient-ils aux lois de la thermodynamique ? Ici, la représentation d'un atome. © Lana Po, Shutterstock

Sciences

Quand des ions enfreignent les lois de la thermodynamique

ActualitéClassé sous :physique , refroidissement par gaz tampon , refroidissement d'ions

Selon les lois de la thermodynamique, lorsque deux corps sont en contact, ils échangent de l'énergie thermique jusqu'à ce que leurs températures respectives s'égalisent. Pourtant, des chercheurs ont pu observer des ions semblant être réfractaires à ce principe. Les scientifiques proposent toutefois une explication qui permet de préserver nos sacro-saintes lois de la physique.

Si vous déposez une tarte aux pommes encore fumante sur le rebord de votre fenêtre, elle va refroidir assez rapidement, surtout si vous êtesen plein hiver, et ce jusqu'à atteindre la température ambiante. Nous en avons tous déjà fait l'expérience. Ce sont les lois de la thermodynamique qui l'imposent.

Il devrait donc logiquement en être de même pour des ions refroidis au contact d'un gaz. Cependant, à leur grande surprise, des physiciens de l'université de Californie, à Los Angeles(UCLA), viennent de démontrer que ce n'était pas le cas. Les lois de la physique telles que nous les connaissons doivent-elles pour autant être remises en cause ?

Comme le fait une tarte aux pommes à peine sortie du four, les ions sont censés refroidir jusqu’à la température ambiante au contact d’un gaz plus froid qu'eux. © Magdalena Kucova, Shutterstock

Il existe de nombreuses méthodes de refroidissement sur lesquelles les chercheurspeuvent compter pour faire baisser la température d'un échantillon de particules chargées. Parmi elles, une méthode maîtrisée par les physiciens - du moins le pensaient-ils - : celle du refroidissement par gaz tampon. Cette méthode est utilisée dans des domaines aussi variés que la médecine légale ou la production d’antimatière. L'idée est de provoquer des collisions entre les atomes d'un gaz froid et les ions que l'on souhaite étudier ; au cours de ces collisions, lesdits ions perdent de l'énergie et, donc, refroidissent.

Pourtant, selon les résultats des physiciens américains, ils ne refroidiraient pas autant que prévu par les lois de la thermodynamique. De plus, tout aussi surprenant, la température prise par les ions en fin d'expérience serait dépendante du nombre d'ions et de leur température initiale. Des conclusions que les chercheurs de la UCLA ont obtenues en immergeant de faibles quantités d'ions baryum dans un large nuage d'atomes de calcium.

Cette illustration montre l’échantillon microscopique d’ions de baryum (ion crystal, en anglais sur l'image) que les physiciens de la UCLA ont immergés dans un nuage d’atomes de calcium (atom cloud) à une température à peine au-dessus du zéro absolu. © Alex Dunning, UCLA

Un état subtil de non-équilibre

Dans l'espoir de mettre au jour des propriétés quantiques jusqu'alors dissimulées, l'équipe a travaillé à des températures particulièrement basses - à un millième du zéro absolu grâce à un refroidissement laser - et dans des conditions contrôlées de près. Ainsi, grâce à l'application de champs électriques oscillant plusieurs millions de fois par seconde, ils ont pu faire léviter les ions et les maintenir dans une région pas plus épaisse qu'un cheveu humain.

Les chercheurs ont ensuite laissé les collisions entre atomes et ions se faire et le système atteindre son état d'équilibre... ou plutôt, un état de non-équilibre des plus subtils. Les températures finales se sont en effet révélées variables et différentes de celle du gaz tampon. « Ces résultats ne remettent cependant pas en cause la validité des lois de la thermodynamique », assure John Gillaspy, physicien à la National Science Foundation qui a financé l'étude. « Ils nous rappellent simplement que même une méthode aussi usuelle que le refroidissement par gaz tampon peut encore cacher quelques surprises. »

Les physiciens de la UCLA expliquent ces résultats étonnantspar le fait que les ions pris au piège sont soumis aux interactions des uns avec les autres. Des interactions qui ont des effets - dans un sens ou dans l'autre - sur leur température globale. La méthode de refroidissement par gaz tampon reposerait donc, contrairement à ce qui était jusqu'alors communément admis, sur un processus physique nuancé et hors équilibre.

Cela vous intéressera aussi

Interview : existe-t-il une température maximale ?  Puisqu’il existe une température minimale qui représente l’immobilité presque absolue des atomes ou des molécules (-273,15 °C), l'impossibilité de dépasser la vitesse de la lumière impose-t-elle une température maximale ? Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé José-Philippe Pérez, professeur émérite à l’Université de Toulouse, afin qu’il réponde à cette question.