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La plus petite lampe à incandescence du monde

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Un groupe de physiciens américains vient de réaliser la plus petite lampe à incandescence du monde. Remarquablement, alors qu'elle est constituée d'un nanotube de carbone à la limite où la thermodynamique cède le pas devant la mécanique statistique, la loi de Planck du corps noir s'applique toujours...

Série de zooms, passant de la puce en silicium sur laquelle est fixé le nanotube de carbone à la lampe à incandescence, en fonctionnement. Crédit : Regan Group, UCLA

La loi décrivant la quantité de lumière rayonnée à une température donnée, et à une longueur d'onde donnée, par un corps noir à l'équilibre thermodynamique est l'une des plus célèbres de la physique avec les lois de Newton et le fameux E=mc2 d'Einstein. Découverte par Max Planck au tournant du siècle dernier, la loi qui porte son nom est en effet à l'origine via Albert Einstein et Niels Bohr de la révolution quantique.

Au cours du dix-neuvième siècle Maxwell, Boltzmann et Gibbs montrèrent pas à pas que les lois macroscopiques de la thermodynamique formulées par Clausius, Helmholtz et Kelvin pouvaient être dérivées d'un cadre plus général appelé la mécanique statistique. Cette dernière, appliquée à un grand nombre d'atomes, ou plus généralement d'un système mécanique possédant un grand nombre de degrés de libertés, redonne les lois macroscopiques de la thermodynamique lorsque que ce nombre tend vers l'infini.

C'est la limite thermodynamique, que l'on considère aussi parfois comme atteinte lorsque le nombre de particules dépasse le nombre d'Avogadro.

Lorsque l'on considère un petit nombre de particules, les fluctuations statistiques peuvent être suffisamment grandes pour ne plus donner des lois en accord avec la thermodynamique, bien que toujours conformes aux principes de la physique statistique.

Un nanotube de carbone chauffé, composé de moins de 20 millions d'atomes, allait-il toujours émettre de la lumière en accord avec la loi du corps noir de Planck ?

La réponse à cette question vient d'être donnée par un groupe de physiciens américains travaillant à l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), menés par Chris Regan.

Avec si peu d'atomes, la mécanique statistique est respectée

Ils ont commencé par fabriquer un nanotube de carbone d'un diamètre d'environ 100 atomes afin de réaliser une lampe à incandescence. Ce n'est pas la première fois que l'on utilise un filament en carbone pour réaliser une telle lampe puisque Edison lui-même, à qui l'on doit l'ampoule électrique, en employait déjà dans celle qu'il a commercialisée. La différence est cependant ici de taille puisque le diamètre du filament est 100.000 fois plus faible et sa taille 10.000 fois plus petite.

Le nanotube de carbone a été attaché à un nanofilament en or, lequel a été fixé à une puce en silicium. Le tout a été placé dans une chambre à vide. Sous l'effet du courant électrique le parcourant, le filament s'est mis à chauffer en émettant de la lumière comme il se doit. En fonction de l'intensité du courant le parcourant, que les physiciens pouvaient contrôler à volonté, la température du nanotube n'est pas la même. Porté à une température suffisamment élevée, la plus petite lampe à incandescence du monde ainsi réalisée est même visible à l'œil nu comme un petit point lumineux.

Les chercheurs de l'UCLA ont alors utilisé une série de filtres équipant un microscope optique pour étudier l'intensité lumineuse de la lampe à différentes longueurs d'onde. A leur surprise, puisque que les 107 atomes de carbone du nanotube restent largement sous la limite thermodynamique de 1023 atomes environ, la répartition de l'énergie lumineuse selon la longueur d'onde étudiée suit bel et bien, à la précision des mesures actuelles, la loi du corps noir à une température T.

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