Sciences dessus dessous

Archive de la catégorie ‘Physique’

Mardi 7 octobre 2014 | Mise en ligne à 15h42 | Commenter Commentaires (14)

Surpris par le Nobel de physique ?

La nouvelle est tombé ce matin : ce sont les trois inventeurs de la diode électroluminescente bleue (DEL), les chercheurs japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura, qui ont remporté le prix Nobel de physique 2014. Un choix dont certains observateurs se sont dits «surpris».

Le principe des DEL est assez simple. Comme on le sait, les électrons se répartissent autour des noyaux atomiques sur des sortes de «paliers». Les électrons occupent toujours spontanément les places les plus «basses» possibles (les plus proches du noyau), mais on peut en faire passer un à un palier supérieur si on lui fournit l’énergie nécessaire. Cet électron excité ne le restera toutefois pas longtemps : il redescendra aussitôt à son «étage» initial et rendra l’énergie qu’on lui avait fourni au départ en émettant un photon. Notons que les paliers les plus élevés, quand ils sont au moins en partie libres, peuvent servir au passage d’un courant électrique et que, point essentiel dans le cas qui nous intéresse ici, que la «hauteur» de ces paliers varie d’un matériau à l’autre.

Pour assembler un DEL, donc, vous devez (essentiellement) prendre deux semiconducteurs différents — les semiconducteurs sont des matériaux qui, comme leur nom l’indique, ne laissent pas aussi bien passer les courants électriques que les «vrais» bons conducteurs, mais qui peuvent se transformer en conducteurs dans certaines circonstances. Et le «truc» réside surtout dans ce choix de matériaux : les «paliers» où se trouvent (et circulent, dans certains cas) les électrons ne situent pas tous à la même «hauteur», cela varie d’un matériau à l’autre. Avec deux semi-conducteurs différents, on a donc des courants électriques qui circulent à deux «paliers», deux «hauteurs» différentes, et si l’on s’arrange pour faire passer un courant du plus haut vers le plus bas, alors les électrons émettront tous des photons lors de leur «descente».

Cependant, l’énergie de photons émis — leur fréquence, et donc leur couleur — dépend entièrement de la «hauteur» de la chute. Ainsi, une combinaison donnée de semiconducteurs produira une et une seule couleur de lumière. Or, la mise au point de DEL bleus (du moins, qui émettaient assez fort pour être utiles) s’est avérée beaucoup plus difficile que le rouge et le vert, et comme il faut un mélange de ces trois couleurs pour faire de la lumière blanche, comme celle du Soleil ou des ampoules incandescentes, l’éclairage au DEL est demeuré impossible pendant longtemps.

C’est pour être parvenu à surmonter cet obstacle que le trio de physiciens japonais a reçu ce matin la plus prestigieuse distinction dans le monde de la science. Je saute par-dessus les détails techniques, qui sont expliqués en long et en large dans les documents du Nobel, pour vous soumettre la question que je me pose depuis ce matin : la décision de l’auguste comité Nobel est-il vraiment «étonnante», comme l’écrit ici le journaliste du magazine Science Dennis Normile ?

«Dans un choix qui a surpris les observateurs du Nobel, le prix de cette année en physique échoit à trois scientifiques japonais, non pour une découverte fondamentale, comme c’est généralement le cas, mais pour une invention», écrit M. Normile.

Il est vrai qu’aucun des physiciens et/ou blogueurs que la revue Scientific American avait interviewés la semaine dernière, en vue des Nobels, n’avait vu les DEL bleus dans leur boule de cristal. Et il est vrai aussi que le tour de force de MM. Akasaki, Amano et Nakamura n’a vraiment rien d’une percée en recherche fondamentale. Le principe de fonctionnement des DEL était connu bien avant eux ; on avait même une assez bonne idée de la combinaison de semi-conducteurs (impliquant du nitrure de gallium) qu’il fallait pour produire du bleu. La difficulté résidait en grande partie dans notre incapacité à faire des cristaux de nitrure de gallium assez grands pour en faire des DEL.

De ce point de vue, donc, on peut comprendre la «surprise» des observateurs — la liste des nobélisés potentiels de SciAm comprend d’ailleurs plusieurs choix qui semblent a priori plus évidents.

Mais d’un autre côté, la difficulté surmontée par nos trois Nippons n’était pas mince : elle a résisté pendant trois décennies aux esprits les plus brillants. Et puis, même si la solution d’Akasaki, Amano et Nakamura était très appliquée, n’avait pas d’implication pour la physique fondamentale (contrairement au laser, par exemple, qui confirmait une prédiction de la Relativité) et ne mènera vraisemblablement pas (corrigez-moi si je me trompe) à d’autres découvertes scientifiques dans l’avenir, il n’en reste pas moins qu’elle a eu plusieurs applications technologiques importantes par la suite — l’éclairage, mais on peut aussi penser aux dernières générations d’écrans plats.

Et puis, même si ce n’est pas dans les habitudes du comité Nobel, ce n’est pas non plus la première fois qu’une «invention» est préférée à des «découvertes» fondamentales. En 2009, le physicien canadien Willard Boyle a partagé la distinction pour avoir grandement contribué à l’invention du capteur photographique CCD — un des deux principaux types d’«œil» électronique utilisés, entre bien d’autres, dans les caméras numériques.

Alors, êtes-vous surpris du choix du Nobel de physique 2014 ?

P.S. Je vous prie d’excuser mon silence de la dernière semaine. Je suis parti en forêt quelques jours, ce qui a beaucoup compressé mon emploi du temps la semaine dernière, mais suis maintenant de retour pour de bon.

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Lundi 15 septembre 2014 | Mise en ligne à 14h07 | Commenter Commentaires (29)

Boson de Higgs : circulez, y a rien à voir (enfin, pas encore)

La découverte du boson de Higgs, ou plus précisément sa première observation empirique, en 2012, avait fait naître de grands espoirs que l’on soit sur le point de découvrir une «nouvelle physique». Si l’on trouvait à ce boson des caractéristiques qui seraient inattendues et inexplicables avec nos connaissances actuelles, cela nous forcerait à en sortir, à innover. Mais jusqu’à maintenant, cependant, ces espoirs ont été plutôt déçus : le Higgs se comporte comme un bon citoyen rangé, qui respecte avec une remarquable minutie ce que le Modèle standard (grosso modo : la somme de ce que l’on sait sur la matière et les particules) prescrit pour lui. Et il vient même, rapporte ici le New Scientist, d’être innocenté d’une des pires transgressions dont on le soupçonnait, soit d’émettre un étrange surplus de photons quand il se désagrège.

Le champ de Higgs, rappelons-le, est le mécanisme qui explique pourquoi certaines particules ont une masse et d’autre non. Un peu comme les champs magnétiques qui n’affectent pas n’importe quelle matière (le bois, par exemple, n’est pas attiré ou repoussé par un aimant), ce ne sont pas toutes les particules qui ont une masse. Celles qui interagissent avec le champs de Higgs en ont une ; par exemple, les électrons qui tournent autour des noyaux atomiques, «pèsent» quelque chose. Et les particules qui n’interagissent pas avec le champs de Higgs n’ont pas de masse ; le photon, par exemple, a une masse de zéro.

Le boson de Higgs apparaît quand on parvient à «exciter» le champ de Higgs : il est un peu comme une vague à la surface de l’eau (surface qui, ici, représenterait le «champ»). Il est toutefois extrêmement difficile d’exciter le champ de Higgs, ce qui explique pourquoi il a fallu attendre la construction du Large Hadron Collider (LHC), cet accélérateur de particule format géant, avant de confirmer l’existence du célèbre boson.

Maintenant, on n’a pas observé le Higgs directement. Ce que les deux énormes détecteurs du LHC ont aperçu, ce sont les particules dans lesquels le Higgs se transforme lorsqu’il se désintègre (ce qui arrive extrêmement rapidement). Et parmi ces particules, les premières mesures semblaient montrer un excès de photons (les particules de lumière) que le Modèle standard ne pouvait pas expliquer. Même après certaines vérifications, ce surcroît persistait, ce qui faisait croire à certains que l’on avait enfin découvert la fameuse fenêtre qui allait nous permettre de jeter un petit œil sur une «nouvelle physique».

Mais voilà, rapporte le New Scientist, les équipes des deux détecteurs ont publié de nouveaux résultats tout récemment (voir ici et ici), résultats qui excluent l’excès de photons. Bref, jusqu’à présent, il semble que ce n’est pas sur le Higgs qu’il faudra compter pour nous guider hors du Modèle.

Il reste encore de l’espoir, remarquez puisque le LHC, qui marque présentement une pause d’entretien, va reprendre ses collisions de particules tôt l’an prochain à des énergies plus élevées que celles qui ont permis de «découvrir» le Higgs. Peut-être que ces collisions, à des énergies jamais atteintes en labo, nous donneront de bonnes clefs pour sortir du Modèle standard.

Mais pour le savoir, et c’est sans doute là le plus difficile, il faudra encore attendre…

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Lundi 17 mars 2014 | Mise en ligne à 14h52 | Commenter Commentaires (64)

Une annonce qui fait (Big) Bang !

La campagne électorale ne me laisse malheureusement pas le temps de faire de longues recherches là-dessus, mais je m’en voudrais de ne pas toucher au moins quelques petits mots sur la nouvelle du jour. Car c’est une énorme annonce qu’a faite ce matin l’équipe de l’expérience BICEP2, qui a détecté dans le rayonnement cosmique l’effet d’ondes gravitationnelles datant d’une fraction de seconde après le Big Bang.

Les ondes gravitationnelles sont comme les autres ondes : elles surviennent quand «leur» champ, le gravitationnel, est dérangé — quand une grosse masse accélère très rapidement, par exemple. Un peu comme les ondes sonores, qui sont des alternances de haute et de basse pression de l’air, les ondes gravitationnelles compriment l’espace-temps dans un sens et l’étirent dans l’autre, lit-on dans ces explications de Nature, qui a publié la découverte (voir aussi ici et ici pour d’autres détails). Elles sont cependant extrêmement faibles et n’ont jamais été observées directement. Les déformations qu’elles impriment dans l’espace-temps peuvent néanmoins avoir un effet sur la «polarisation de la lumière».

Ce que nos yeux perçoivent comme de la lumière est en effet une onde électromagnétique, c’est-à-dire de l’énergie électrique et magnétique qui se propage dans l’espace un peu comme une vague à la surface de l’eau. Dans le cas de la lumière, cependant, la «vague» est double : d’une part, elle est une oscillation de champ électrique; de l’autre, c’est le champ magnétique qui oscille. Et ces deux «vagues jumelles» oscillent dans deux plans perpendiculaires. La polarisation de la lumière, c’est la direction vers laquelle «pointe» son champ électrique.

L’instrument BICEP2 est justement fait pour étudier la polarisation de la «lumière» (enfin, des microondes dans le cas qui nous intéresse, mais c’est la même chose : des ondes électromagnétiques), plus précisément la polarisation du rayonnement «fossile» qui provient du Big Bang et qui prévaut partout dans l’Univers. BICEP2, qui est installé au pôle sud où l’atmosphère est plus mince (et presque exempt de vapeur d’eau, qui bloque les microondes), y a décelé un pattern de polarité qui trahit la présence d’ondes gravitationnelles.

L’équipe de BICEP2 a été capable de prouver que ces ondes sont des «échos» datant d’une fraction de seconde après le Big Bang, à une époque nommée «inflation» où l’Univers était dans une phase d’expansion extrêmement rapide — et c’est cette accélération inouïe qui aurait créé lesdites ondes.

D’un point de vue scientifique, la découverte est (extrêmement) importante pour deux raisons principales :

– D’abord, c’est la première preuve directe que nous ayons de l’«inflation», qui est un morceau important dans la compréhension que nous avons de l’origine de l’Univers.

– Ensuite, et peut-être surtout, ces résultats pourraient jeter des ponts entre deux pans de la physique que l’on peine à raccommoder. Les physiciens cherchent en effet à unifier les quatre forces fondamentales en physique, c’est-à-dire prouver qu’elles sont ultimement des facettes différentes d’une seule et même grande force universelle. Ils y sont parvenus pour l’électromagnétisme ainsi que pour les forces nucléaires «forte» et «faible» qui gouvernent le comportement des particules dans le noyau des atomes, mais la quatrième grande force, la gravité, refuse toujours d’entrer dans le moule — en bonne partie parce que, contrairement au trois autres, elle ne s’insère pas bien dans la mécanique quantique. Or comme l’inflation est un phénomène quantique, le fait qu’elle ait généré des ondes gravitationnelles serait une belle preuve que la gravité a, elle aussi, son petit côté quantique.

Encore une fois, désolé de ne pas pouvoir en dire plus, même si cette nouvelle aurait mérité mieux. Sur ce, je retourne m’occuper de la charte…

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