Découverte d'un état de la matière à la fois solide et liquide

Solide, liquide, gaz…et après ? Alors qu'une grande partie d'entre nous n'apprennent que trois états de la matière à l'école, des physiciens ont découvert plusieurs variétés exotiques qui peuvent exister sous des conditions extrêmes de température et de pression.

Une équipe de scientifiques a récemment eu recours à une forme d'intelligence artificielle pour confirmer l'existence d'un nouvel état de la matière, dans lequel les atomes de potassium présentent simultanément des caractéristiques solides et liquides. Si d'une manière ou d'une autre vous réussissiez à extraire un morceau de ce matériau, il aurait probablement l'aspect d'un bloc solide duquel s'écoule du potassium fondu jusqu'à ce que finalement, il soit complètement dissout.

« Ce serait un peu comme tenir une éponge gorgée d'eau qui commence à goutter, sauf que l'éponge est en fait composée d'eau, » illustre le coauteur de l'étude Andreas Hermann, physicien de la matière condensée à l'université d'Édimbourg. Son travail fait l'objet d'un article paru cette semaine dans le journal Proceedings of the National Academy of Science.

Cet état inhabituel du potassium pourrait exister dans des conditions semblables à celles que l'on trouve dans le manteau terrestre, mais cet élément est généralement présent sous la forme de composés et non sous sa forme élémentaire. Ce type de simulation pourrait être utile à l'étude du comportement d'autres minéraux dans des environnements aux conditions extrêmes.

UN CRISTAL EN LIQUÉFACTION

Passés au microscope, les métaux comme le potassium ont une structure plutôt simple. Mis sous la forme d'une barre solide, les atomes de cet élément se connectent pour former un réseau ordonné en lignes qui conduit très bien l'électricité et la chaleur. Pendant longtemps, les chercheurs pensaient pouvoir aisément prédire l'état de ces structures cristallines une fois soumises à une certaine pression.

Pourtant, il y a quinze ans des scientifiques découvraient que le sodium, un métal aux propriétés similaires à celles du potassium, avait une étrange réaction lorsqu'il était comprimé. Soumis à une pression 20 000 fois supérieure à celle de la surface terrestre, il passait d'un bloc argenté conducteur à un matériau transparent isolant. En étudiant le sodium aux rayons X, les scientifiques se sont aperçus qu'il adoptait une structure complexe de cristal plutôt qu'une structure simple.

Le potassium a également fait l'objet de nombreuses expérimentations minutieuses. Au cours d'une expérience similaire à celle du sodium, les atomes du potassium avaient adopté une formation élaborée : cinq tubes cylindriques disposés en X avec quatre longues chaînes placées dans les espaces vides laissés par le premier ensemble, presque comme deux matériaux séparés sans interaction.

« Sans que l'on sache vraiment pourquoi, ces atomes de potassium ont décidé de se diviser en deux sous-réseaux à peine reliés, » explique Hermann. Ensuite, alors que les scientifiques faisaient augmenter la température, on pouvait voir les quatre chaînes disparaître sur les images obtenues par rayons X, s'ensuivit un long débat parmi les chercheurs pour déterminer l'origine de ce phénomène.

Afin de percer ce mystère, Hermann et ses collègues se sont tournés vers les simulations et ont eu recours à un dispositif appelé réseau neuronal, une forme d'intelligence artificielle qui apprend à prédire un comportement en se fondant sur des exemples précédemment étudiés. Après avoir été entraîné sur un petit échantillon d'atomes de potassium, le réseau neuronal était suffisamment familier avec la mécanique quantique pour simuler des ensembles contenant des dizaines de milliers d'atomes.

Les modèles informatiques ont démontré qu'entre 20 000 et 40 000 fois la pression atmosphérique et à des températures comprises entre 126 et 526 degrés Celsius, le potassium entrait dans un état baptisé « chain-melted state » (état de fusion de chaîne) dans lequel les chaînes susmentionnées passaient à l'état liquide alors que le reste des cristaux de potassium restaient à l'état solide.

C'est la première fois que des scientifiques réussissent à démontrer la stabilité thermodynamique d'un tel état pour tout élément.

La méthode d'apprentissage machine mise au point par l'équipe de scientifiques pourrait être utile dans la modélisation du comportement d'autres substances, indique Marius Millot, dont les recherches au laboratoire national de Lawrence Livermore s'intéressent à l'état de la matière dans des conditions extrêmes.

« Une majorité de la matière présente dans l'univers est soumise à des températures et des pressions élevées, par exemple à l'intérieur des planètes et des étoiles, » poursuit-il.

ÉTATS EXOTIQUES

À présent que l'état de fusion de chaîne du potassium est confirmé, il rejoint le spectre des autres états inhabituels connus de la matière, en dehors des états plus communs que sont le gaz, le solide et le liquide.

Plasma : Une forme de gaz à haute température dans lequel des électrons sont arrachés de leur noyau atomique. Ainsi séparés, il leur est donc possible de générer un champ électrique ou magnétique et d'en être affecté.

Condensat de Bose-Einstein : Formé uniquement à des températures proches du zéro absolu (−273,15 °C), tous les atomes de ce matériau agissent comme des particules libres.

Supraconducteur : Cet état est atteint lorsque des métaux sont refroidis à basse température, il se caractérise par l'absence de résistance du matériau, l'électricité peut donc y circuler librement.

Superfluide : On parle de superfluidité lorsqu'un liquide est refroidi à des températures proches du zéro absolu et qu'il peut alors s'écouler sans aucune friction, parfois même en remontant les parois d'un récipient pour ensuite s'écouler à l'extérieur.

Matière dégénérée : Cet état de la matière n'apparaît qu'à des pressions extrêmement élevées atteintes par les naines blanches et les étoiles à neutrons, deux types d'étoiles en fin de vie.

Plasma quarks-gluons : Dans cet état, les protons et les neutrons sont dissous en leurs constituants internes : les quarks. Ces particules peuvent alors se déplacer librement parmi d'autres particules responsables de l'interaction forte : les gluons.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.