{"id":204661,"date":"2015-12-02T15:12:51","date_gmt":"2015-12-02T17:12:51","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=204661"},"modified":"2015-12-02T17:46:47","modified_gmt":"2015-12-02T19:46:47","slug":"machine-de-spins","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/machine-de-spins\/","title":{"rendered":"Machine de spins<\/em>"},"content":{"rendered":"

\"Termodinamica-alta\"Z\u00c9 VICENTE<\/span>Publi\u00e9 en d\u00e9cembre 2014<\/em><\/p>\n

Lors d\u2019une exp\u00e9rimentation encore jug\u00e9e impossible il y a \u00e0 peine un an, une \u00e9quipe coordonn\u00e9e par Roberto Serra, physicien de l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de l\u2019ABC (Ufabc), a d\u00e9termin\u00e9 la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie qu\u2019un noyau atomique pouvait gagner ou perdre quand il est atteint par une pulsation d\u2019ondes radio. La plupart des chercheurs \u00e9taient convaincus que le comportement du noyau \u00e9tait impr\u00e9visible. Les probabilit\u00e9s que le noyau devienne plus chaud en absorbant l\u2019\u00e9nergie des ondes et refroidisse en transmettant une partie de son \u00e9nergie \u00e0 ces ondes \u00e9taient inconnues.<\/p>\n

Les r\u00e9centes exp\u00e9riences du Centre Br\u00e9silien de Recherches Physiques (CBPF) de Rio de Janeiro montrent que cet \u00e9change d\u2019\u00e9nergie ob\u00e9it aux lois de la physique jamais test\u00e9es dans le monde subatomique. Ces lois peuvent aider \u00e0 mieux comprendre des r\u00e9actions chimiques telle que la photosynth\u00e8se des plantes et \u00e0 d\u00e9terminer combien d\u2019\u00e9nergie les calculateurs quantiques utiliseront pour fonctionner. D\u2019apr\u00e8s Serra,\u00a0\u00ab c\u2019est la premi\u00e8re exp\u00e9rimentation d\u2019un nouveau domaine de la physique, la thermodynamique quantique \u00bb.<\/p>\n

Les calculateurs quantiques promettent d\u2019utiliser les lois de la m\u00e9canique quantique pour d\u00e9passer de mani\u00e8re ph\u00e9nom\u00e9nale le pouvoir de calcul des ordinateurs conventionnels. Mais combien d\u2019\u00e9nergie ce nouveau type d\u2019appareil va-t-il d\u00e9penser dans la pratique ? Combien de chaleur va-t-il produire en fonctionnant ? Aura-t-il besoin de r\u00e9frig\u00e9ration ? R\u00e9pondre \u00e0 ces questions est un des objectifs de la thermodynamique quantique.<\/p>\n

Des questions similaires sont apparues pendant le XIXe<\/sup> si\u00e8cle. Quelle \u00e9tait la quantit\u00e9 n\u00e9cessaire que les fours devaient consommer et quelle temp\u00e9rature devaient atteindre les chaudi\u00e8res pour que les machines \u00e0 vapeur atteignent leur efficacit\u00e9 maximale ? Les scientifiques de l\u2019\u00e9poque se sont aper\u00e7us que la chaleur et la capacit\u00e9 des machines \u00e0 travailler \u00e9taient des formes diff\u00e9rentes d\u2019une m\u00eame quantit\u00e9 physique, l\u2019\u00e9nergie, qui n\u2019est jamais cr\u00e9\u00e9e \u00e0 partir du n\u00e9ant ni d\u00e9truite, juste transform\u00e9e. En analysant la conversion d\u2019une forme d\u2019\u00e9nergie en une autre, ils ont d\u00e9couvert les lois de la thermodynamique classique.<\/p>\n

Conform\u00e9ment \u00e0 ces lois, l\u2019\u00e9nergie passe spontan\u00e9ment d\u2019un volume dont la temp\u00e9rature est chaude \u00e0 un autre plus froid. Et m\u00eame la plus id\u00e9ale des machines ne peut que convertir une partie de l\u2019\u00e9nergie disponible sous la forme de chaleur en \u00e9nergie capable de r\u00e9aliser des mouvements m\u00e9caniques, c\u2019est-\u00e0-dire r\u00e9aliser en physique ce que l\u2019on conna\u00eet comme travail. \u00ab La thermodynamique impose des limites \u00e0 n\u2019importe quelle technologie \u00bb, remarque Serra.<\/p>\n

Les ing\u00e9nieurs victoriens ont r\u00e9solu leurs probl\u00e8mes gr\u00e2ce \u00e0 un petit truc. Leurs calculs ne fonctionnaient que lorsque les machines \u00e9taient thermiquement isol\u00e9es du reste du monde, donc en \u00e9changeant peu de chaleur avec le milieu. En plus, il fallait que ces processus soient lents. N\u00e9anmoins, cela ne s\u2019applique pas \u00e0 la majorit\u00e9 des situations qui se produisent dans la nature \u2013 dans nombre de r\u00e9actions chimiques, par exemple. Quand il est impossible d\u2019isoler thermiquement un objet de son milieu pour une longue dur\u00e9e, la temp\u00e9rature augmente et diminue de mani\u00e8re apparemment impr\u00e9visible, au contraire de ce qui se passe dans les syst\u00e8mes isol\u00e9s o\u00f9 tout tend \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre.<\/p>\n

C\u2019est seulement en 1997 que le physicien chimiste Christopher Jarzynski a d\u00e9couvert une expression math\u00e9matique capable de calculer les variations d\u2019\u00e9nergie et de travail m\u00e9canique qui ont lieu en dehors de l\u2019\u00e9quilibre. Serra explique que \u00ab l\u2019\u00e9quation de Jarzynski et d\u2019autres th\u00e9or\u00e8mes de fluctuation permettent de mesurer en laboratoire la variation d\u2019\u00e9nergie d\u2019une mol\u00e9cule avant et apr\u00e8s une r\u00e9action \u00bb.<\/p>\n

Avec une \u00e9quipe de Californie, Jarzyn-ski a lui-m\u00eame confirm\u00e9 son \u00e9quation en 2005 en observant le travail m\u00e9canique d\u2019une mol\u00e9cule ARN \u00e9tir\u00e9e et allong\u00e9e comme un ressort. Serra note cependant que malgr\u00e9 le microscope, le mouvement de la mol\u00e9cule ARN \u00e9tait suffisamment grand pour \u00eatre calcul\u00e9 en utilisant la fameuse formule d\u00e9riv\u00e9e des lois de la m\u00e9canique de Newton:\u00a0\u00ab travail = force x d\u00e9placement \u00bb.<\/p>\n

\"048-051_Termodinamica_FR\"<\/a>Que ce soit dans ou en dehors de l\u2019\u00e9quilibre, les \u00e9quations de la thermodynamique ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9duites en utilisant la m\u00e9canique de Newton. Mais les lois de Newton ne fonctionnent pas pour plusieurs processus qui se produisent dans les mol\u00e9cules et pour tous ceux qui se produisent \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur des atomes, parce qu\u2019il n\u2019est pas possible d\u2019y mesurer avec pr\u00e9cision les forces et les d\u00e9placements. D\u2019autres lois sont \u00e0 consid\u00e9rer dans ces \u00e9chelles, celles de la m\u00e9canique quantique. Serra voulait savoir si des \u00e9quations comme celle de Jarzynski \u00e9taient valables dans ce monde subatomique afin de comprendre des r\u00e9actions chimiques comme la photosynth\u00e8se. Dans la photosynth\u00e8se, des mol\u00e9cules dans les cellules des feuilles fonctionnent comme des machines quantiques qui absorbent l\u2019\u00e9nergie des particules de lumi\u00e8re et l\u2019emmagasinent sous forme de mol\u00e9cules de sucre: \u00ab le processus est tr\u00e8s efficace, il ne g\u00e9n\u00e8re quasiment pas de chaleur. […] Des \u00e9tudes sugg\u00e8rent qu\u2019il s\u2019agit d\u2019un processus quantique \u00bb.<\/p>\n

Serra, ses \u00e9tudiants et ses coll\u00e8gues de l\u2019Ufabc tentaient depuis quelque temps d\u2019\u00e9tudier la thermodynamique quantique en laboratoire en collaboration avec l\u2019\u00e9quipe des physiciens Alexandre Souza, Ruben Auccauise, Roberto Sarthour et Ivan Oliveira, qui travaillent avec la technique de r\u00e9sonance magn\u00e9tique nucl\u00e9aire au CBPF. Les deux groupes ont d\u00e9j\u00e0 fait ensemble plusieurs d\u00e9couvertes.<\/p>\n

Au centre de l\u2019\u00e9quipement du laboratoire du CBPF se trouve un petit tube \u00e0 essai contenant une solution extr\u00eamement pure de chloroforme dilu\u00e9 dans l\u2019eau. La solution poss\u00e8de pr\u00e8s d\u2019un trillion de mol\u00e9cules de chloroforme et chacune contient un atome de carbone 13. Le noyau de ce type de carbone a une propri\u00e9t\u00e9 quantique appel\u00e9e spin<\/em>, qui rappelle un peu l\u2019aiguille d\u2019une boussole magn\u00e9tique et peut \u00eatre repr\u00e9sent\u00e9e par une fl\u00e8che. Sous un grand champ magn\u00e9tique parall\u00e8le au tube, de bas en haut, les fl\u00e8ches de ces spins<\/em> tendent \u00e0 s\u2019aligner avec le champ \u2013 la moiti\u00e9 de bas en haut et l\u2019autre moiti\u00e9 de haut en bas. Le champ magn\u00e9tique conduit les spins<\/em> qui apparaissent de haut en bas \u00e0 avoir plus d\u2019\u00e9nergie que ceux qui apparaissent de bas en haut.<\/p>\n

Les physiciens manipulent les spins<\/em> au moyen de champs \u00e9lectromagn\u00e9tiques, qui oscillent autour d\u2019une fr\u00e9quence de 125 m\u00e9gahertzs (l\u2019\u00e9quipement a besoin d\u2019\u00eatre isol\u00e9 pour ne pas capter les stations de radio FM qui transmettent \u00e0 cette fr\u00e9quence). Ces manipulations sont faites par le biais de pulsations d\u2019onde et ne durent que quelques microsecondes. L\u2019exp\u00e9rimentation est si rapide que c\u2019est comme si chaque atome de carbone du tube \u00e0 essai \u00e9tait, pendant quelques instants, isol\u00e9 du reste de l\u2019univers et soumis \u00e0 une temp\u00e9rature tr\u00e8s proche du z\u00e9ro absolu (-273\u00b0 Celsius). Les chercheurs parviennent \u00e0 diminuer ou \u00e0 augmenter la diff\u00e9rence d\u2019\u00e9nergie entre les spins<\/em> vers le bas et vers le haut quand ils r\u00e9duisent ou augmentent l\u2019amplitude de leurs ondes radio. Quand ce changement d\u2019amplitude est tr\u00e8s rapide, les spins <\/em>sortent de leur isolement thermique et commencent \u00e0 absorber l\u2019\u00e9nergie des ondes radio (situation o\u00f9 les ondes r\u00e9alisent un travail sur les spins<\/em>) et \u00e0 transmettre une partie de leur \u00e9nergie pour les ondes (en r\u00e9alisant un travail sur elles). Selon Serra, \u00ab cela est tr\u00e8s difficile \u00e0 mesurer parce que les spins<\/em> des carbones peuvent \u00e9changer de l\u2019\u00e9nergie de quatre mani\u00e8res diff\u00e9rentes, toutes en m\u00eame temps et de mani\u00e8re probable. […] J\u2019ai connu un groupe en Allemagne qui a essay\u00e9 de faire cette m\u00eame exp\u00e9rimentation pendant cinq ans sans succ\u00e8s \u00bb. De l\u2019avis du physicien, l\u2019\u00e9chec du groupe allemand est d\u00fb au fait qu\u2019il a tent\u00e9 de mesurer directement combien de fois l\u2019\u00e9nergie \u00e9tait \u00e9mise ou absorb\u00e9e par les spins<\/em> : \u00ab l\u2019erreur accumul\u00e9e dans ces mesures \u00e9tait si grande qu\u2019\u00e0 la fin ils n\u2019ont rien r\u00e9ussi \u00e0 d\u00e9terminer \u00bb.<\/p>\n

Mesure intelligente
\n<\/strong>La solution est arriv\u00e9e \u00e0 Serra en f\u00e9vrier 2013, lorsque le physicien Mauro Paternostro de la Queen\u2019s University de Belfast a pr\u00e9sent\u00e9 un s\u00e9minaire \u00e0 l\u2019Ufabc sur des types d\u2019observations in\u00e9dites du travail produit par des particules de lumi\u00e8re de mani\u00e8re indirecte. Paternostro, actuellement professeur visitant \u00e0 l\u2019Ufabc et Laura Mazzola, sa coll\u00e8gue \u00e0 Belfast, ont alors commenc\u00e9 \u00e0 \u00e9changer avec Serra, Accauise et le doctorant Thiago Batalh\u00e3o sur la mani\u00e8re d\u2019adapter ces techniques pour observer indirectement le travail des spins<\/em> de carbone. Avec John Good de l\u2019Universit\u00e9 anglaise d\u2019Oxford, l\u2019\u00e9quipe a d\u00e9couvert comment utiliser au mieux les spins<\/em> des noyaux d\u2019hydrog\u00e8ne des mol\u00e9cules de chloroforme pour observer les spins<\/em> des atomes de carbone pendant qu\u2019ils r\u00e9alisent leur travail, et ce sans interf\u00e9rer sur le processus.<\/p>\n

La pr\u00e9cision de l\u2019exp\u00e9rimentation a \u00e9t\u00e9 suffisante pour enregistrer des variations de temp\u00e9rature sur les spins <\/em>de carbone de l\u2019ordre de billioni\u00e8mes de degr\u00e9s et v\u00e9rifier que l\u2019\u00e9quation de Jarzynski est valable \u00e0 l\u2019\u00e9chelle subatomique. L\u2019autre r\u00e9sultat int\u00e9ressant a \u00e9t\u00e9 le suivant : les spins<\/em> de carbone poss\u00e8dent une plus grande tendance \u00e0 extraire l\u2019\u00e9nergie des ondes radio quand l\u2019amplitude de la pulsation de l\u2019onde est r\u00e9duite. La tendance s\u2019inverse quand l\u2019amplitude de l\u2019onde est augment\u00e9e : les spins<\/em> tendent \u00e0 transf\u00e9rer de l\u2019\u00e9nergie vers les ondes \u2013 autrement dit, \u00e0 r\u00e9aliser un travail sur les ondes.<\/p>\n

Serra pense qu\u2019il est possible d\u2019\u00ab exploiter cette diff\u00e9rence pour cr\u00e9er une machine thermique quantique \u00bb. La machine fonctionnerait en alternant des pulsations d\u2019amplitude r\u00e9duite et augment\u00e9e entre deux \u00e9tats d\u2019\u00e9quilibre thermique, chacun d\u2019une temp\u00e9rature diff\u00e9rente (cf. encadr\u00e9<\/a><\/em>). La machine fonctionnerait comme un moteur \u00e0 combustion, qui effectue un travail m\u00e9canique avec une partie de l\u2019\u00e9nergie chimique transform\u00e9e en chaleur avec l\u2019explosion du combustible.<\/p>\n

La machine de spins<\/em> aurait peu d\u2019utilit\u00e9s : le travail produit fournirait une \u00e9nergie infime pour les ondes radio, juste assez pour faire bouger le spin<\/em> d\u2019un noyau atomique quelconque. Serra est plus int\u00e9ress\u00e9 par la mesure d\u2019\u00e9nergie qu\u2019elle d\u00e9pense et par la chaleur qu\u2019elle dissipe pendant son fonctionnement.<\/p>\n

Pour Lucas C\u00e9leri, physicien de l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de Goi\u00e1s, \u00ab la technique appliqu\u00e9e dans cette exp\u00e9rimentation poss\u00e8de un grand potentiel \u00bb. C\u00e9leri pr\u00e9voit d\u2019observer au d\u00e9but de l\u2019ann\u00e9e prochaine la thermodynamique d\u2019une seule particule de lumi\u00e8re en partenariat avec les physiciens Paulo Souto Ribeiro et Stephen Walborn, de l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de Rio de Janeiro : \u00ab Des avanc\u00e9es exp\u00e9rimentales sont tr\u00e8s rares dans la thermodynamique quantique \u00e0 cause de la n\u00e9cessit\u00e9 de contr\u00f4ler\u00a0le syst\u00e8me quantique et son isolement du milieu \u00bb.<\/p>\n

Projet<\/strong>
\nInstitut National de Science et Technologie d\u2019Information Quantique (n\u00b0 2008\/57856-6<\/a>); Modalit\u00e9<\/strong> Projet Th\u00e9matique; Chercheur responsable<\/strong> Amir Caldeira (Unicamp); Investissement<\/strong> 1 384 811,24 reais<\/em> (FAPESP) et 5 700 000,00 reais<\/em> (CNPq).<\/p>\n

Article scientifique
\nBATALH\u00c3O, T. B. et al<\/em>. Experimental reconstruction of work distribution and study of fluctuation relations in a closed quantum system<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>.\u00a0v. 113 (14), 3 oct. 2014.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Des Br\u00e9siliens d\u00e9couvrent comment mesurer des variations d\u2019\u00e9nergie de noyaux atomiques","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[1180],"tags":[],"coauthors":[103],"class_list":["post-204661","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-sciences"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/204661","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=204661"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/204661\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=204661"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=204661"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=204661"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=204661"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}