5. Un état encore moins classique, le superfluide quantique
Parallèlement aux développements de la thermodynamique classique, le xxe siècle a connu une révolution, avec la découverte des quanta et des propriétés quantiques des particules élémentaires. La nature ondulatoire et corpusculaire du rayonnement et de la matière a été démontrée au début du xxe siècle, d'abord pour la lumière, puis pour les particules de matière proprement dites : protons, neutrons, électrons, etc. La description des objets quantiques requiert l'introduction d'un formalisme mathématique difficile, fondé sur la mécanique ondulatoire (équation de Schrödinger), que nous n'aborderons pas ici. Cependant, une découverte fascinante de la mécanique quantique mérite de figurer dans un chapitre sur l'état de la matière. En effet, alors que la mécanique quantique, souvent contre-intuitive, ne semblait concerner, de prime abord, que des particules individuelles, on a vu surgir dans le champ de la science des comportements macroscopiques nouveaux de la matière, à certains égards extraordinaires. Il s'agit du comportement superfluide et du comportement supraconducteur.
Pour faire toucher du doigt la particularité du comportement superfluide, il faut expliquer que les objets quantiques possèdent des propriétés quantifiées, liées, par exemple, à la quantification des énergies. Ainsi, un objet quantique, comme un atome, ne peut émettre qu'une lumière de couleur bien précise lors d'une transition électronique entre deux niveaux d'énergie ; un « aimant quantique », comme un spin électronique, ne peut prendre que des valeurs très précises multiples d'une quantité fondamentale, etc. Ces propriétés n'apparaissent que sur des échantillons extrêmement petits, de tailles atomiques ou subatomiques. Il se trouve que certains objets quantiques, les bosons, obéissent à un type de statistique, appelé statistique de Bose-Einstein, qui leur permet d'occuper « à plusieurs » le même état quantique. Dans cette circonstance, on peu […]
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