Par Hazel Muir
(Image : ESA/NASA)
Les choses curieuses qui se produisent à basse température ne cessent de nous réserver des surprises. La semaine dernière, des scientifiques ont rapporté que les molécules d’un gaz ultra-froid peuvent réagir chimiquement à des distances jusqu’à 100 fois plus grandes qu’à température ambiante.
Dans les expériences plus proches de la température ambiante, les réactions chimiques ont tendance à ralentir lorsque la température diminue. Mais les scientifiques ont découvert que les molécules à des températures glaciales, à peine quelques centaines de milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu (-273,15°C ou 0 kelvin), peuvent encore échanger des atomes, forgeant de nouvelles liaisons chimiques dans le processus, grâce à d’étranges effets quantiques qui étendent leur portée à basse température.
« Il est parfaitement raisonnable de s’attendre à ce que, lorsque vous passez au régime ultra-froid, il n’y ait pas de chimie à proprement parler », explique Deborah Jin de l’Université du Colorado à Boulder, dont l’équipe a rapporté la découverte dans Science (DOI&colon ; 10.1126/science.1184121.). « Ce papier dit non, il y a beaucoup de chimie qui se passe ».
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New Scientist se penche sur le royaume étrange et merveilleux de l’ultra-froid.
Pourquoi le zéro absolu (0 kelvin ou -273,15°C) est-il un objectif impossible à atteindre ?
Pratiquement, le travail nécessaire pour retirer la chaleur d’un gaz augmente à mesure que l’on se refroidit, et une quantité infinie de travail serait nécessaire pour refroidir quelque chose au zéro absolu. En termes quantiques, vous pouvez accuser le principe d’incertitude d’Heisenberg, qui dit que plus nous connaissons précisément la vitesse d’une particule, moins nous en savons sur sa position, et vice versa. Si vous savez que vos atomes sont à l’intérieur de votre expérience, il doit y avoir une certaine incertitude dans leur élan qui les maintient au-dessus du zéro absolu – à moins que votre expérience soit de la taille de l’univers entier.
Quel est l’endroit le plus froid du système solaire ?
La température la plus basse jamais mesurée dans le système solaire était sur la Lune. L’année dernière, le Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA a mesuré des températures aussi basses que -240°C dans des cratères ombragés en permanence près du pôle sud lunaire. C’est environ 10 degrés plus froid que les températures mesurées sur Pluton jusqu’à présent. Brrrrrrr.
Quel est l’objet naturel le plus froid de l’univers ?
L’endroit connu le plus froid de l’univers est la nébuleuse du Boomerang, à 5 000 années-lumière de nous, dans la constellation du Centaure. Les scientifiques ont signalé en 1997 que les gaz soufflés par une étoile centrale mourante se sont dilatés et se sont rapidement refroidis à 1 kelvin, soit seulement un degré de plus que le zéro absolu. Habituellement, les nuages de gaz dans l’espace ont été réchauffés à au moins 2,7 kelvins par le fond diffus cosmologique, le rayonnement résiduel laissé par le big bang. Mais l’expansion de la nébuleuse du Boomerang crée une sorte de réfrigérateur cosmique, permettant aux gaz de conserver leur fraîcheur inhabituelle.
Quel est l’objet le plus froid dans l’espace ?
Si l’on compte les satellites artificiels, les choses deviennent encore plus froides. Certains instruments de l’observatoire spatial Planck de l’Agence spatiale européenne, lancé en mai 2009, sont gelés jusqu’à 0,1 kelvin, afin de supprimer le bruit des micro-ondes qui, sinon, brouillerait la vision du satellite. L’environnement spatial, combiné à des systèmes de réfrigération mécanique et cryogénique utilisant de l’hydrogène et de l’hélium, refroidit les instruments les plus froids à 0,1 kelvin en quatre étapes séquentielles.
Quelle est la température la plus basse jamais atteinte en laboratoire ?
La température la plus basse jamais enregistrée l’a été ici même sur Terre, dans un laboratoire. En septembre 2003, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont annoncé qu’ils avaient refroidi un nuage d’atomes de sodium à une température record de 0,45 nanokelvin. Auparavant, en 1999, des scientifiques de l’Université technologique d’Helsinki, en Finlande, avaient atteint une température de 0,1 nanocelvin dans un morceau de rhodium métallique. Cependant, il s’agissait de la température d’un seul type de mouvement particulier – une propriété quantique appelée spin nucléaire – et non de la température globale de tous les mouvements possibles.
Quel comportement bizarre les gaz peuvent-ils présenter près du zéro absolu ?
Dans les solides, les liquides et les gaz de tous les jours, la chaleur ou l’énergie thermique provient du mouvement des atomes et des molécules lorsqu’ils zinguent et rebondissent les uns sur les autres. Mais à très basse température, les règles étranges de la mécanique quantique règnent. Les molécules n’entrent pas en collision au sens classique du terme ; au contraire, leurs ondes mécaniques quantiques s’étirent et se chevauchent. Lorsqu’elles se chevauchent ainsi, elles forment parfois ce qu’on appelle un condensat de Bose-Einstein, dans lequel tous les atomes se comportent de manière identique, comme un seul « super-atome ». Le premier condensat de Bose-Einstein pur a été créé au Colorado en 1995 à l’aide d’un nuage d’atomes de rubidium refroidis à moins de 170 nanokelvins.
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