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  • Un Effet Gravitationnel du Big Bang a été Observé dans un Cristal de Laboratoire

    Posté le 25 juillet 2017

    Un effet exotique de la physique des particules qui a été théorisé comme se produisant dans d’immenses champs gravitationnels (près d’un trou noir ou dans les conditions qui régnaient juste après le Big Bang) a été observé dans un matériau en laboratoire (cristaux de phosphure de niobium).

    Ce matériau est un semimétal qui a été synthétisé par des collaborateurs à l’Institut Leibniz de recherche sur les états solides et les matériaux de Dresde (IFW) et à l’Institut Max-Planck de physique et chimie des solides à Dresde, en Allemagne. Après avoir réalisé l’expérience et effectué des mesures dans un laboratoire équipé d’un cryostat à l’Université de Hambourg, une équipe de théoriciens de TU Dresden, UC Berkeley et de l‘Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC à Madrid a confirmé par modèles mathématiques qu’ils ont observé un effet de mécanique quantique, connu sous le nom d’anomalie gravitationnelle axiale, qui viole les lois de conservation classiques telles que les lois de conservation de la charge, de l’énergie et de la quantité de mouvement.

    Les symétries sont le Saint Graal des physiciens. La symétrie signifie que l’on peut bouger un objet de telle ou telle manière sans que ses propriétés n’en soient affectées. Par exemple, lorsque vous tournez une balle uniforme sur elle-même, de quelque angle que ce soit, elle a toujours la même apparence.

    Quand une symétrie existe en physique classique mais est brisée une fois que la théorie est quantifiée, on parle d’anomalie.

    Durant la plus grande partie de leur histoire, ces anomalies quantiques ont été confinées au monde de la physique des particules élémentaires exploré dans des accélérateurs de particules tels que le LHC du CERN. Maintenant, cependant, de nouveaux types de matériaux appelés semimétaux de Weyl (similaires au graphème mais en 3D) permettent de révéler le fonctionnement d’anomalies quantiques de destruction de symétrie dans des phénomènes de la vie quotidienne tels que la création de courant électrique.

    Dans ces matériaux les électrons se comportent de la même manière que les particules élémentaires étudiées dans les accélérateurs de particules de haute énergie. Ces particules ont l’étrange propriété de ne pas pouvoir être au repos. Elles doivent se déplacer à vitesse constante en permanence.

    Lorsqu’on parle de particules gauchères ou droitières, on parle d’une propriété appelée “chiralité” (du grec “Chiros” qui signifie “Main”). Normalement, les 2 différentes espèces de particules qui sont identiques (sauf en ce qui concerne leur chiralité) devraient posséder des symétries différentes qui leur seraient attachées et leur nombre quantique serait conservé séparemment. Cependant, une anomalie quantique peut détruire leur coexistence pacifique en changeant une particule gauchère en particule droitière (et vice-versa), provoquant un excès de production d’une des particules.

    Dans un papier publié dans Nature, une équipe internationale de physiciens dirigée par le physicien Johannes Gooth (de IBM Research Zurich) explique avoir observé l’effet d’une des anomalies quantiques les plus exotiques dont on pensait qu’il ne pouvait être déclenché que par la courbature de l’Espace-Temps telle que décrite dans la théorie de la relativité générale de Einstein.

    Cette anomalie, appelée “anomalie gravitationnelle axiale”, viole les lois de conservation classiques telles que les lois de conservation de la charge, de l’énergie et de la quantité de mouvement. D’énormes champs gravitationnels (résultat d’énormes masses courbant l’Espace-Temps) devraient en théorie détruire la symétrie de certains types de particules qui sont produites en paires miroir, créant une des particules en plus grande quantité.

    Les conditions nécessaires pour prouver cette brisure de symétrie de la loi de conservation ne peuvent pas être créées en laboratoire. Mais les chercheurs ont exploité un parallèle particulier entre la gravité et la température pour créer un analogue de l’anomalie des cristaux de phosphure de niobium. “Cette anomalie est si difficile à mesurer que même une preuve indirecte est une percée majeure” explique Adolfo Grushin de l’Université de Californie à Berkeley.

    En 2015 des chercheurs avaient montré que de puissants champs magnétiques et électriques pouvaient briser cette symétrie à l’intérieur d’un matériau quantique connu sous le nom de semimétal de Dirac, démontrant ainsi l’effet longtemps théorisé appelé “anomalie axiale” (ou chirale). L’équipe de Gooth a confirmé que la gravité pouvait également détruire cette symétrie : pour ce faire ils se sont basés sur une connexion entre les effets gravitationnels et de température qui stipule que l’effet de la courbature de l’Espace-Temps sur les fermions de Weyl est mathématiquement équivalent à l’effet d’un gradient de température. En d’autres mots, l’anomalie devrait également apparaitre si une partie d’un matériau dans lequel des fermions de Weyl apparaissent est plus chaude qu’une autre. “En théorie quantique des champs relativiste, l’énergie et le flux de masse deviennent les mêmes” explique Gooth. “Le flux de masse est conduit par les gradients de champ gravitationnel et le flux d’énergie par les gradients de température. Le gradient de température pour les fermions de Weyl relativistes imite ainsi le gradient de champ gravitationnel”.

    De nouveaux calculs, utilisant en partie les méthodes de la théorie des cordes, ont montré que cette anomalie gravitationnelle est également responsable de la production de courant lorsque le matériau est chauffé en même temps qu’un champ magnétique lui est appliqué.


    Scientifiques de chez IBM Research. De gauche à droite : Fabian Menges, Johannes Gooth et Bernd Gotsmann.

    Les chercheurs ont mesuré la conductivité de leur phosphure de niobium crytalin, connu sous le nom de semimétal de Weyl, dans un circuit microélectronique. Lorsqu’ils ont appliqué un gradient thermique et un champ magnétique ils ont vu un courant électrique induit créé par un déséquilibre dans les 2 types de fermions de Weyl : le nombre de quasi-particules gauchères se déplaçant dans une direction de l’échantillon n’était pas la même que le nombre de quasi-particules droitières se déplaçant dans la direction opposée. De plus, “le comportement du courant alors que nous changions le champ magnétique est exactement ce que la théorie de l’anomalie gravitationnelle axiale prédit”, explique Grushin.

    « Pour la première fois, nous avons observé de façon expérimentale cette anomalie quantique fondamentale sur Terre, ce qui est extrêmement important pour notre compréhension de l’Univers », a déclaré Dr. Johannes Gooth, un scientifique d’IBM Research et auteur principal du document. « Nous pouvons maintenant construire des dispositifs à semi-conducteurs basés sur cette anomalie pour créer de nouveaux dispositifs qui n’ont jamais été considérés auparavant et pour contourner potentiellement certains des problèmes inhérents aux dispositifs électroniques classiques, comme les transistors. »

    Grushin suspecte que comprendre comment cette anomalie se manifeste dans ces matériaux devrait mener à une nouvelle physique. Les scientifiques d’IBM, quant à eux, prédisent que cette découverte provoquera une ruée vers le développement de nouveaux dispositifs, en particulier autour des capteurs, des interrupteurs et de la conversion d’énergie.


    Informations complémentaires

    Un semimétal de Weyl est un cristal à état solide dont les excitations de basse énergie sont des fermions de Weyl qui transportent les charges électriques même à température ambiante.

    Les fermions de Weyl sont des quasiparticules (excitation collective d’électrons) sans masse possédant des propriétés uniques qui pourraient les rendre utiles pour la création de circuits électroniques et d’ordinateurs quantiques. Les fermions de Weyl sont généralement produits en quantités égales, comme des images miroir.

    Les fermions sont des particules de matière comme les quarks (up, down, top, bottom, etc), leptons (électrons, muons) et toutes les particules composées de ces particules élémentaires (protons, neutrons, etc)


    Sources :
    Phys.org, Nature, IBM

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