Thermodynamique, le concept d'énergie et ses vicissitudes

En un siècle et demi, le concept d'entropie a pris des formes diverses qui ont étendu son champ d'application depuis la physique vers la chimie, l'informatique, la biologie ou l'économie, et permis de dégager progressivement sa signification. L'entropie fut initialement introduite comme une grandeur thermodynamique dont l'augmentation au cours du temps sert à caractériser l'irréversibilité des processus d'évolution. L'élaboration à la fin du XIXe siècle de la théorie cinétique, qui explique les propriétés macroscopiques des gaz à partir de leur structure à l'échelle atomique, conduit à lui donner une interprétation probabiliste : elle s'identifie à une mesure du désordre existant à petite échelle en raison du nombre immense de configurations que les molécules sont susceptibles de prendre, et elle s'exprime en fonction des probabilités associées à ces configurations. En 1948 est créée la théorie de la communication, où la quantité d'information transmise par un message est définie en s'inspirant de l'expression mathématique de l'entropie. Celle-ci acquiert en retour, peu après, son interprétation moderne : c'est l'information qui nous manque à l'échelle microscopique sur un système parce que nous ne connaissons que ses caractéristiques macroscopiques ; ou encore, c'est la mesure de la complexité de l'état du système. Cette interprétation est corroborée par l'analyse des échanges d'entropie qui accompagnent les transferts d'information ; elle confère à l'entropie un caractère partiellement subjectif.

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Paris, 8 septembre 2011

Supraconductivité : le puzzle prend forme !

En affaiblissant la supraconductivité avec un fort champ magnétique, les électrons d'un supraconducteur dit « à haute température » s'alignent en filaments linéaires. C'est ce que viennent de montrer les chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS (1). Publiés dans Nature le 8 Septembre 2011, ces résultats apportent une nouvelle pièce au puzzle que les physiciens de la matière tentent d'assembler depuis près de vingt-cinq ans.
Découverte il y a cent ans, la supraconductivité(2) est un phénomène spectaculaire qui interroge toujours autant les chercheurs. Les supraconducteurs dits « à haute température » intéressent tout particulièrement les scientifiques, notamment la famille des cuprates, des oxydes de cuivre dont la température maximale de supraconduction est d'environ -140°C. Comment, dans ces cuprates, les électrons parviennent-ils à s'organiser en une même onde, permettant ainsi au matériau de devenir supraconducteur? C'est la question à laquelle les chercheurs tentent de répondre depuis vingt-cinq ans.

C'est dans ce contexte que l'équipe du Laboratoire national des champs magnétiques intenses, en collaboration avec des scientifiques de Vancouver, a soumis des échantillons d'un cuprate surnommé « YBaCuO »(3) à des champs magnétiques particulièrement intenses (des milliers de fois plus puissants que ceux des petits aimants sur les portes des réfrigérateurs ménagers). Grâce à la technique de résonance magnétique nucléaire(4), les chercheurs ont sondé ce supraconducteur à l'échelle de l'atome et ont découvert que les électrons, sous ces champs intenses, tendent à s'ordonner en filaments rectilignes ou « stripes ».

Un tel alignement des charges n'a été observé jusqu'à présent que dans les matériaux non ou faiblement supraconducteurs, jamais chez des matériaux où la supraconductivité est robuste. Cette découverte permet de comprendre pourquoi : il faut qu'un fort champ magnétique affaiblisse la supraconductivité pour observer l'effet. Les résultats suggèrent aussi que cette tendance à l'alignement pourrait être sous-jacente à tous les cuprates. Reste néanmoins à comprendre si cette nouvelle pièce du puzzle a un quelconque rapport avec le mécanisme de supraconductivité de ces matériaux.

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Paris, 29 septembre 2011

L'atmosphère de Mars sursaturée en vapeur d'eau

L'analyse des données recueillies par le satellite Mars Express de l'ESA, est formelle : l'atmosphère de la planète Mars contient de la vapeur d'eau en état de sursaturation. Cette découverte surprenante va permettre aux scientifiques de mieux comprendre le cycle de l'eau sur Mars ainsi que l'évolution de l'atmosphère de la planète rouge. Menée par une équipe du Laboratoire Atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS, CNRS / UPMC / UVSQ), en collaboration avec des collègues russes et français (1), cette étude a bénéficié du soutien du CNES. Elle est publiée dans la revue Science le 30 septembre 2011.
Sur Terre, la vapeur d'eau tend à se condenser – c'est-à-dire à devenir liquide - quand la température descend en-dessous du « point de condensation ». On parle d'une atmosphère « saturée » car elle ne peut contenir plus d'humidité à cette température et à cette pression. L'excédent de vapeur d'eau se condense alors autour de particules et de poussières en suspension pour former des précipitations. Cependant, il arrive que la condensation soit fortement ralentie, notamment quand particules et poussières sont trop rares. Incapable de se condenser, la vapeur d'eau en excès  reste alors sous forme gazeuse : c'est ce qu'on appelle la « sursaturation ». Jusqu'à présent, on supposait qu'un tel phénomène ne pouvait exister dans l'atmosphère martienne, sans toutefois pouvoir le prouver.

En effet, si plusieurs sondes ont visité Mars depuis les années 70, la plupart de leurs instruments se sont concentrés sur les données de surface : ils ont appréhendé l'atmosphère martienne uniquement dans sa composante horizontale. La question de la concentration en eau en fonction de l'altitude restait donc quasi inexplorée pour Mars. Les relevés effectués par le spectromètre SPICAM (2) embarqué à bord du satellite Mars Express ont aujourd'hui permis de combler cette lacune. En effet, SPICAM peut établir des profils verticaux de l'atmosphère par occultation solaire, c'est-à-dire en scrutant la lumière du Soleil qui traverse l'atmosphère de la planète durant son lever et son coucher.

Contrairement à ce qui était établi, les chercheurs ont découvert que la sursaturation en vapeur d'eau est un phénomène fréquent sur Mars. Ils ont même relevé dans l'atmosphère martienne des niveaux de sursaturation très élevés, jusqu'à plus de dix fois supérieurs à ceux rencontrés sur Terre. « Cette capacité de la vapeur d'eau à subsister en état de forte sursaturation permettrait, par exemple, d'alimenter l'hémisphère Sud de Mars en eau bien plus efficacement que ne le prédisent les modèles actuellement », précise Franck Montmessin, chercheur CNRS au LATMOS et responsable scientifique de SPICAM (3). De plus, une quantité de vapeur d'eau, bien plus importante qu'estimée jusqu'alors, pourrait être transportée assez haut dans l'atmosphère pour y être détruite par photodissociation (4). Ce phénomène, s'il se confirme, aurait des conséquences sur la problématique de l'eau martienne, dont on sait qu'une fraction notable s'échappe continuellement vers l'espace depuis des milliards d'années, expliquant en partie la faible abondance actuelle d'eau sur la planète « rouge » (5).

La distribution verticale de vapeur d'eau est un facteur clé dans l'étude du cycle hydrologique de Mars. L'hypothèse selon laquelle la quantité d'eau dans l'atmosphère martienne est limitée par le phénomène de saturation doit donc être entièrement révisée. Cette découverte a des implications majeures sur la compréhension du climat de la planète rouge ainsi que sur celle du transport de l'eau sur Mars.

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Paris, 12 janvier 2011

Microélectronique : un gaz d'électrons à la surface d'un isolant ouvre la voie du transistor multi-fonctions

Des chercheurs du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 (1) ont découvert comment créer une couche conductrice à la surface d'un matériau isolant et transparent très étudié pour la microélectronique du futur, le titanate de strontium (SrTiO3). Cette couche conductrice de deux nanomètres d'épaisseur est un gaz d'électrons métallique bidimensionnel qui fait partie du matériau. Facilement réalisable, elle ouvre des perspectives pour l'électronique à base d'oxydes de métaux de transition (la famille de SrTiO3), qui cherche à profiter de l'énorme variété des propriétés physiques de ces matériaux (supraconductivité, magnétisme, thermoélectricité, etc.) pour intégrer plusieurs fonctionnalités différentes dans un même dispositif microélectronique. Cette découverte inattendue, mise en évidence au synchrotron SOLEIL, est publiée dans la revue Nature du 13 janvier 2011.
Aujourd'hui, les composants microélectroniques sont fabriqués à base de couches de semi-conducteurs déposées sur un substrat de silicium. Afin de poursuivre l'accroissement périodique des performances des composés microélectroniques au-delà de 2020, des solutions technologiques alternatives sont à l'étude. Les chercheurs travaillent de plus en plus sur les oxydes de métaux de transition (2), qui présentent des propriétés physiques intéressantes comme la supraconductivité (3), la magnétorésistance (4), la thermoélectricité (5), la multi-ferroïcité (6), ou encore la capacité photo catalytique (7).

Parmi les oxydes des métaux de transition, le titanate de strontium (SrTiO3) est très étudié. C'est un isolant, mais il devient bon conducteur en le dopant (en créant quelques lacunes d'oxygène par exemple). Les interfaces entre le SrTiO3 et d'autres oxydes (LaTiO3 ou LaAlO3) sont conductrices, même si les deux matériaux sont isolants. En plus, elles présentent de la supraconductivité, de la magnétorésistance, ou de la thermoélectricité avec de très bons rendements à température ambiante. Seulement voilà : les interfaces entre oxydes sont très difficiles à réaliser.

Une découverte inattendue vient de faire sauter ce verrou technologique. Une équipe internationale pilotée par des scientifiques du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 vient de réaliser un gaz d'électrons métallique bidimensionnel à la surface de SrTiO3. Il s'agit d'une couche conductrice de deux nanomètres d'épaisseur environ, obtenue en cassant un morceau de titanate de strontium sous vide. Ce procédé, très simple, est peu coûteux. Les éléments qui constituent SrTiO3 sont disponibles en grande quantité dans les ressources naturelles et c'est un matériau non toxique, contrairement aux matériaux les plus utilisés aujourd'hui en microélectronique (les tellurures de bismuth). En outre, des gaz d'électrons métalliques bidimensionnels pourraient probablement être créés de façon similaire à la surface d'autres oxydes de métaux de transition.

La découverte d'une telle couche conductrice (sans avoir à rajouter une couche d'un autre matériau) est un grand pas en avant pour la microélectronique à base d'oxydes. Elle pourrait permettre de combiner les propriétés intrinsèques multifonctionnelles des oxydes de métaux de transition avec celles du métal bidimensionnel à sa surface. On peut songer, par exemple, au couplage d'un oxyde ferro-électrique avec le gaz d'électrons à sa surface, pour faire des mémoires non volatiles, ou à la fabrication de circuits transparents sur la surface des cellules solaires ou des écrans tactiles.

Les expériences de photoémission résolue en angle (ARPES) qui ont servi à mettre en évidence le gaz d'électron métallique bidimensionnel ont été réalisées d'une part au synchrotron SOLEIL (Saint-Aubin, France), et au Synchrotron Radiation Center (Université du Wisconsin, USA).

Notes :
(1) Cette étude a été pilotée par les chercheurs du Centre de spectrométrie nucléaire et spectrométrie de masse(Université Paris-Sud 11/CNRS) en collaboration étroite avec des chercheurs du Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud 11/CNRS), de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud 11 et de l'Institut d'électronique fondamentale(Université Paris-Sud 11/CNRS).
(2) le cuivre, le titane, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, etc.
(3) la capacité à conduire le courant électrique sans pertes
(4) le changement de la résistance de plusieurs ordres de grandeur sous application d'un très faible champ magnétique, utilisée dans les disques durs.
(5) la capacité de transformer un gradient de température en énergie électrique, qui pourrait servir à récupérer la chaleur dégagée par un ordinateur pour la réinjecter dans le système sous forme d'énergie (et économiser ainsi la batterie ou l'alimentation).
(6) coexistence de ferroélectricité, ferromagnétisme et/ou ferroélasticité, de quelques oxydes de fer ou de manganèse
(7) de quelques oxydes de titane – qui arrivent même à faire de l'hydrolyse (la décomposition de l'eau en oxygène et hydrogène) en présence de lumière ultraviolette.

Références :
Two-dimensional electron gas with universal subbands at the surface of SrTiO3, A. F. Santander-Syro, O. Copie, T. Kondo et al. Nature, 13 janvier 2011.

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