MATIÈRE (physique)États de la matière

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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 peut placer une quantité macroscopique de matière dans un état quantique collectif, cohérent, unique. On peut observer ce type d'état dans de l'hélium 4, l'un des isotopes de l'hélium, à basse température. Dans ce cas, le caractère quantique de l'hélium « condensé » (c'est le terme technique) se traduit par une superfluidité : le liquide ne présente plus aucune viscosité, il s'écoule spontanément à travers tous les pores, le long de toute surface, sans présenter aucun ralentissement dû à un frottement sur les parois. En effet, la viscosité est le fruit d'innombrables collisions entre atomes, et ces collisions, au niveau corpusculaire, se font par le truchement d'un échange de quanta d'énergie. Or les atomes d'hélium, réunis dans le même état quantique, y restent comme un seul gros corpuscule de liquide sans pouvoir subir de tels échanges de quanta. Il en résulte un comportement macroscopique superfluide quantique.

Un mécanisme de ce genre est également à l'œuvre dans la supraconductivité, avec quelques nuances cependant. Dans ce cas, des paires d'électrons adoptent un comportement de bosons (l'électron solitaire étant, lui, un fermion), et cet appariement permet un « écoulement » non résistif des électrons : le matériau n'offre plus aucune résistance électrique.

Ainsi, il semble juste de désigner par état de la matière une manière macroscopique d'être d'un ensemble de corpuscules très petits. Cet état sera considéré dans une acception pleinement scientifique dès qu'on pourra le décrire à l'aide de fonctions mathématiques traduisant une moyenne de mouvements ou d'interactions sur un très grand nombre de ces corpuscules. Le résultat de cette moyenne (liquide, solide, aimanté, visqueux...) dépend de grandeurs physiques mesurables (la température, la pression, la proportion de tel ou tel constituant...) et de paramètres fondamentaux comme l'interaction électrostatique entre atomes. Ce qu'enseigne la physique, en conformité avec l'expérience quotidienne, c'est qu'un ensemble très réduit d'interactions fondamentales permet de construire des édifices atomiques ou moléculaires, et que de l'agitation de ces différents corpuscules naît, par des moyennes macroscopiques pourtant simples, l'infinie variété des « formes et des qualités » des choses qui nous entourent.

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  • : chargé de recherche au C.N.R.S., laboratoire de physique de la matière condensée, École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Vincent FLEURY, « MATIÈRE (physique) - États de la matière », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etats-de-la-matiere/