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"L’une des constantes clés de la nature est beaucoup plus grande dans un matériau quantique : la constante de structure fine est dix fois supérieure à sa valeur normale dans ce matériau, ce qui donne un aperçu d’un univers alternatif" par Emily Conover

Traduction et compléments de Jacques Hallard

lundi 15 novembre 2021, par Conover Emily

ISIAS Physique Quantique

L’une des constantes clés de la nature est beaucoup plus grande dans un matériau quantique : la constante de structure fine est dix fois supérieure à sa valeur normale dans ce matériau, ce qui donne un aperçu d’un univers alternatif

Traduction du 23 septembre 2021 par Jacques Hallard d’un article d’ Emily Conover en date du 21 septembre 2021, diffusé par ‘sciencenews.org’ sous le « titre One of nature’s key constants is much larger in a quantum material » et disponible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/physics-quantum-spin-ice-fine-structure-constant

illustration of quantum spin

Des particules dotées de la propriété quantique appelée spin, illustrée par la flèche bleue, ne peuvent s’accorder sur une orientation dans un type de matériau appelé ‘glace de spin quantique’
. ELLA MARU STUDIO/Science Source

Un nombre crucial qui régit l’univers devient énorme dans un étrange matériau quantique.

La constante de structure fine est environ 10 fois supérieure à sa valeur normale dans un type de matériau appelé glace de spin quantique, selon les calculs des physiciens publiés dans la revue ‘Physical Review Letters’ du 10 septembre 2021. Ce nouveau calcul laisse entendre que la glace de spin quantique pourrait donner un aperçu de la physique dans un univers alternatif où la constante est beaucoup plus grande.

[Addenda - D’après Wikipédia, « Constante de structure fine - Ne doit pas être confondu avec Constante de structure fine gravitationnelle. - Photo - Buste d’Arnold Sommerfeld à l’université Louis-et-Maximilen (LMU) de Munich. La constante de structure fine est, en physique, la constante de couplage sans dimension associée à l’interaction électromagnétique. La constante est ainsi désignée pour des raisons historiques par référence à la structure fine. Le physicien allemand Arnold Sommerfeld (1868-1951) l’a proposée en 1916… » - A lire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_structure_fine#cite_note-4 ].

[α = 7,297 352 566 4 ( 17 ) × 10 − 3 \displaystyle \alpha =7,297\,352\,566\,4(17)\times 10^-3 Constante de structure fine gravitationnelle - Ne pas confondre avec la constante de structure fine. En physique, la constante de structure fine gravitationnelle (en anglais : gravitational fine structure constant1 ou gravitational fine-structure constant2) ou constante adimensionnelle de couplage gravitationnel (dimensionless gravitational coupling constant3) ou, simplement, constante de couplage gravitationnel (gravitational coupling constant4) est la constante de couplage associée à l’interaction fondamentale qu’est la gravitation. Elle consiste en une combinaison de constantes fondamentales qui donne un ordre de grandeur de l’influence des forces gravitationnelles en mécanique quantique. Combinée à une autre combinaison appelée constante de structure fine (qui est à l’origine de son nom — voir ci-dessous), elle donne l’ordre de grandeur du rapport entre les forces électriques et gravitationnelles entre deux particules élémentaires…. – Source de l’article complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_structure_fine_gravitationnelle ].

Suite de l’article traduit

La constante de structure fine, dont l’influence se fait sentir en physique et en chimie, détermine la force des interactions entre les particules chargées électriquement. Sa valeur, environ 1/137, consterne les physiciens car ils ne peuvent pas expliquer pourquoi elle a cette valeur, même si elle est nécessaire à la chimie complexe qui est à la base du vivant (SN : 11/2/16).

Si la constante de structure fine dans tout le cosmos était aussi grande que celle des glaces à spin quantique, ’le tableau périodique ne compterait que 10 éléments’, affirme le physicien théoricien Christopher Laumann de l’université de Boston aux Etats-Unis. ’Et il serait probablement difficile de fabriquer des êtres humains ; la chimie ne serait pas assez riche en éléments !’

[Selon ‘Futura Sciences’, « Glace de spin -

Analogie entre la structure de la glace et une glace de spin. Crédit : Nature

Analogie entre la structure de la glace et une glace de spin. Crédit : Nature 

Les glaces de spin sont des milieux ferromagnétiques s’aimantant d’une façon particulière à basse température. Il s’y forme une structure similaire à celle existant dans la glace d’eau. Les molécules d’eau possèdent un moment dipolaire que l’on peut représenter par un vecteur. Lorsque l’eau gèle, il se forme une structure dans laquelle les molécules d’eau s’orientent pour former une sorte de réseau cristallin avec des tétraèdres. Dans le cas des glaces de spin, un réseau se forme aussi avec des tétraèdres et ceux-ci possèdent des moments magnétiques, que l’on a représentés sous la forme de vecteurs, s’organisant selon les mêmes règles que les moments dipolaires des molécules d’eau dans la glace. Comme ces moments magnétiques sont reliés à des moments cinétiques, des spins, on parle de glace de spin et c’est cette structure que l’on peut voir sur le schéma ci-dessus. La règle de formation d’une glace de spin avec un réseau de tétraèdre est alors simple : il doit toujours y avoir aux sommets des tétraèdres deux spins pointant vers l’intérieur et deux autres pointant vers l’extérieur. Ceci peut facilement se vérifier sur le schéma ci-dessus. Récemment, la présence de monopôles magnétiques effectifs a été découverte dans certaine glace de spin… » - Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-glace-spin-5159/ ].

Suite de l’article traduit

Les glaces de spin quantiques sont une classe de substances dans lesquelles les particules ne peuvent pas s’accorder. Ces matériaux sont constitués de particules dotées d’un spin, une version quantique du moment angulaire, ce qui les rend magnétiques. Dans un matériau normal, les particules parviendraient à un consensus en dessous d’une certaine température, les pôles magnétiques s’alignant soit dans la même direction, soit dans des directions alternées. Mais dans les glaces à spin quantique, les particules sont disposées de telle manière que les pôles magnétiques, ou de manière équivalente les spins, ne peuvent pas s’accorder, même à une température de zéro absolu (SN : 13/02/11).

L’impasse se produit en raison de la géométrie des matériaux : Les particules sont situées aux angles d’un réseau de pyramides reliées entre elles par les angles. Les conflits entre plusieurs ensembles de voisins signifient que le plus proche de l’harmonie pour ces particules est de s’arranger pour que deux spins soient orientés vers l’extérieur de chaque pyramide, et deux vers l’intérieur.

particles located at the corners of pyramids in quantum spin ices

Dans les glaces de spin quantiques, les particules (points noirs) sont situées aux coins d’un réseau de pyramides (rouges). Normalement, les spins des particules (flèches vertes) sont disposés de manière à ce que deux d’entre eux pointent vers l’intérieur de la pyramide et deux vers l’extérieur. Si cette règle n’est pas respectée, comme illustré, des quasi-particules appelées spinons (orange et bleu) se forment. S.D. Pace et al/PRL 2021

Cette trêve précaire peut donner lieu à des perturbations qui se comportent comme des particules au sein de la matière, ou quasi-particules (SN : 10/3/14). En inversant les spins des particules, on obtient ce qu’on appelle des spinons, des quasi-particules qui peuvent se déplacer dans le matériau et interagir avec d’autres spinons d’une manière similaire aux électrons et autres particules chargées que l’on trouve dans le monde extérieur au matériau. Le matériau recrée la théorie de l’électrodynamique quantique, la partie du modèle standard de la physique des particules qui explique comment les particules chargées électriquement agissent. Mais les détails, notamment la constante de structure fine, ne correspondent pas nécessairement à ceux de l’univers au sens large.

Laumann et ses collègues ont donc entrepris de calculer pour la première fois la constante de structure fine dans les glaces de spin quantiques. L’équipe a estimé que le chiffre était d’environ 1/10, au lieu de 1/137. Qui plus est, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient modifier la valeur de la constante de structure fine en modifiant les propriétés du matériau théorique. Cela pourrait aider les scientifiques à étudier les effets de la modification de la constante de structure fine - un test qui est hors de portée dans notre propre univers, où la constante de structure fine est fixe.

Malheureusement, les scientifiques n’ont pas encore trouvé de matériau qui puisse être considéré comme de la glace de spin quantique. Mais une perspective très étudiée est un groupe de minéraux appelés pyrochlores, dont les ions magnétiques, ou atomes chargés électriquement, sont disposés dans la configuration pyramidale appropriée. Les scientifiques pourraient également être en mesure d’étudier ces matériaux à l’aide d’un ordinateur quantique ou d’un autre dispositif quantique conçu pour simuler les glaces de spin quantiques (SN : 29/06/17).

[Selon Wikipédia, « Les pyrochlores sont une famille de matériaux qui ont la même structure cristalline, mais avec différentes compositions chimiques. Le réseau cristallin prend la forme d’une maille cubique à faces centrées, et leur composition chimique est A2 B2 O7 A 2 B 2 O 7 \displaystyle \ce A_2B_2O_7 (avec A et B des métaux). De par leur grande diversité chimique, ils ont de nombreuses applications technologiques, comme la conduction ionique, la neutralisation des déchets nucléaires, les recouvrements de protection à haute température, les batteries d’oxyde solides, les conducteurs ioniques et électriques1,2 … » - Source : . https://fr.wikipedia.org/wiki/Pyrochlore ].

Suite de l’article traduit

Si les scientifiques parvenaient à créer des glaces de spin quantiques, les matériaux pourraient révéler comment l’électrodynamique quantique et le modèle standard fonctionneraient dans un univers avec une constante de structure fine beaucoup plus grande. ’Ce serait l’espoir’, déclare le théoricien de la matière condensée Shivaji Sondhi de l’Université d’Oxford [Shivaji Lal Sondhi is an Indian-born theoretical physicist who is currently the Wykeham Professor of Physics in the Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics at the University of Oxford, known for contributions to the field of quantum condensed matter. He is son of former Lok Sabha MP Manohar Lal Sondhi.[1]-], qui n’a pas participé à la recherche. ’Il serait alors !’.

Citation : S.D. Pace et al. Emergent fine structure constant of quantum spin ice is large. Physical Review Letters. Vol. 127, September 10, 2021, p. 117205. doi : 10.1103/PhysRevLett.127.117205.

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Physics writer Emily Conover has a Ph.D. in physics from the University of Chicago. She is a two-time winner of the D.C. Science Writers’ Association Newsbrief award.

Emily Conover, rédactrice en physique, est titulaire d’un doctorat en physique de l’université de Chicago. Elle a remporté à deux reprises le prix Newsbrief de la D.C. Science Writers’ Association.

Source : https://www.sciencenews.org/article/physics-quantum-spin-ice-fine-structure-constant

Science News

Science News Internship | PhD Graduate Education at Northeastern University

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Traduction, [compléments] et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 14/11/2021

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