MATIÈRE (physique) États de la matière
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[...]
La suite de cet article est accessible aux abonnés
- Des contenus variés, complets et fiables
- Accessible sur tous les écrans
- Pas de publicité
Déjà abonné ? Se connecter
Écrit par
- Vincent FLEURY : chargé de recherche au C.N.R.S., laboratoire de physique de la matière condensée, École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Vincent FLEURY. MATIÈRE (physique) - États de la matière [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Médias
États désordonnés de la matière
Encyclopædia Universalis France
Éolipile
D.R.
États de la matière
Encyclopædia Universalis France
Autres références
-
ÉTAT DE LA MATIÈRE, notion d'
- Écrit par Bernard PIRE
- 1 521 mots
L'expérience quotidienne permet à chacun d'appréhender la notion d'état de la matière (parfois appelé phase) et celle de transition de phase qui lui est étroitement liée. L'exemple typique est celui des trois états si différents que prend l'eau lorsque sa température varie : à partir de 0 ...
-
MATIÈRE, notion de
- Écrit par Jean-Marc LÉVY-LEBLOND
- 2 022 mots
Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif...
-
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES
- Écrit par Maurice JACOB, Bernard PIRE
- 8 172 mots
- 12 médias
Les physiciens poursuivent l'étude de la structure de la matière dans le but de trouver plus d'unité et de simplicité dans un monde qui nous frappe par sa diversité et son apparente complexité. N'est-il pas remarquable de pouvoir ramener la variété quasi infinie des objets qui nous entourent...
-
ANTIMATIÈRE
- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
- 6 931 mots
- 4 médias
...associé est bâti avec les antiquarks correspondants. Les mésons résultent de la liaison d'un quark et d'un antiquark. Dans cette description moderne, la matière est constituée par trois « générations » de quarks et de leptons, le nombre trois a été établi par les expériences du C.E.R.N. (laboratoire européen... -
ATOME
- Écrit par José LEITE LOPES
- 9 140 mots
- 13 médias
L'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné. On connaît 90 éléments naturels auxquels s'ajoutent le ...
-
BOHR ATOME DE
- Écrit par Bernard PIRE
- 369 mots
- 1 média
Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine...
- Afficher les 37 références
Voir aussi
- PRESSION, physique
- LIQUIDE ÉTAT
- ÉTATS DE LA MATIÈRE
- EAU, physico-chimie
- PHASE TRANSITIONS DE
- PHASES ESPACE DES
- DISPERSION, chimie
- ÉTAT CHANGEMENT D'
- POINT CRITIQUE
- DIAGRAMME, thermodynamique
- POINT TRIPLE, thermodynamique
- PLASMAS
- IONISÉS MILIEUX
- BOSONS
- THIXOTROPIE
- VAPEUR D'EAU
- PHASES RÈGLE DES ou RÈGLE DE GIBBS
- GAZEUX ÉTAT
- TEMPÉRATURE
- LIQUIDE-VAPEUR ÉQUILIBRE
- MINÉRAUX
- MÉTALLURGIE, histoire
- HÉLIUM 4
- SOLIDE ÉTAT
- VAPEUR, chimie physique
- PHYSIQUE HISTOIRE DE LA
- QUARTZ
- SCIENCES HISTOIRE DES
- ÉTAT QUANTIQUE
