Un atome, ça peut aussi être exotique !

Un atome, ça peut aussi être exotique !

Regarde ton smartphone, tes chaussures, l’eau dans ton verre ou encore les carottes dans ton assiette: tout est composé d’atomes (même le verre et l’assiette!). Une molécule d’eau, par exemple, comporte deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène: c’est le fameux H2O. Pour les carottes ou les multiples composants de ton téléphone portable, ce sont d’autres atomes liés entre eux et de manières diverses qui sont présents.

Mais tous ces atomes présentent une même caractéristique. Ils sont tous « classiques ». Aujourd’hui, une autre famille d’atomes intéresse beaucoup les chercheurs. Ce sont les atomes « exotiques » .

« Exotiques », cela te fait penser à des territoires lointains, au soleil, aux îles et aux cocotiers, pas vrai? Bref, des destinations plutôt différentes de ce que nous connaissons chez nous, mais avec des ingrédients qui nous sont fami-liers (la mer, le sable, le soleil…). Pour les atomes exotiques, c’est exacte-ment la même chose. Ce sont des atomes classiques, mais aussi un petit peu différent quand même. Cette différence se situe par exemple dans leurs élec-trons. Tous ne sont plus vraiment des électrons… Au final, ces atomes exotiques permettent de former des matières elles aussi plutôt inhabituelles: des matériaux exotiques’ qui ne se comporte pas exactement comme notre eau, nos assiettes ou nos verres.

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Rappelons-nous d’abord ce qu’est un atome « classique »

C’est la plus petite partie d’un corps simple, c’est à dire d’un élément chimique pur. Bien sûr, les atomes peuvent se combiner entre eux pour donner des composés, comme l’eau dont on parlait il y a un instant, ou des polymères, des plastiques, de la matière organique...

L’atome se compose d’un noyau et d’un nuage d’électrons. C’est dans le noyau que se concentre la quasi-totalité de la masse de l’atome (à plus de 99 %). Le noyau comprend des protons, de charge positive, et des neutrons, de charge électrique nulle. Autour de ce noyau circulent un ou plusieurs élec-trons, de charge négative. Globalement, les charges positives du noyau et les charges négatives du nuage d’électrons s’équilibrent.
Si tu regardes le tableau des éléments chimiques (le tableau de Mendeleev), tu verras que toutes ces informations sont reprises pour chacun des éléments.

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Va lire notre article sur les atomes.

Une recette pour fabriquer des atomes exotiques

Pour fabriquer un atome exotique, les chercheurs remplacent un des élec-trons par une particule différente, mais de même charge électrique. Ils font cela en bombardant des atomes classiques par des jets de particules exotiques.  À la fin de cette opération, les atomes classiques finissent par éjecter un de leurs électrons pour capter une de ces autres particules. Ils deviennent ainsi « exotiques ».

 

 

Sur cette image on voit bien les 3 étapes, d’abord l’atome classique, ensuite il est bombardé par les jets de particules exotiques en mauve, et enfin l’atome classique est devenu exotique :

Les particules élémentaires utilisées sont théoriquement multiples. Il peut s’agir de muons, de pions, d’antiprotons, de kaons… mais toutes ne se valent pas. Pour donner naissance à un atome exotique, il faut que la durée de vie de la particule qui remplace un électron soit suffisamment longue.

Cette durée de vie doit être plus longue que la durée d'une révolution de cette particule autour du noyau. Et cela va très vite. Une fraction de seconde à peine. On veut dire quelques millionièmes de milliardième de seconde! Ce qui signifie qu’en une seconde, la particule exotique fait des millions de milliards de fois le tour du noyau atomique...

Les trois particules les plus utilisées par les physiciens sont le muon, le pion et l'antiproton. Les deux premières sont instables. Leur durée de vie  est de 2 microsecondes pour le muon et de 26 nanosecondes (milliardièmes de seconde!) pour le pion.

L’antiproton (un proton de charge négative) est plus difficile à obtenir en raison de sa masse élevée. Mais sa durée de vie est infinie.

Un monde inconnu s’ouvre à nous.

Dans la cuisine des atomes exotiques, on a donc le choix des ingrédients. Reste à savoir ce qu’on va en faire de ces exotiques.

Ils pourraient nous fournir de nouveaux matériaux, aux propriétés différentes de celles des atomes classiques. Des matériaux exotiques eux aussi, puisque fabriqués au départ d’atomes exotiques.  Il s’agirait des matériaux qui pourraient révolutionner l’efficacité de nos ordinateurs ou encore la manière dont nous nous déplaçons, grâce à la supraconductivité.

 
Trois scientifiques (Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart et Bernard L. Feringa) ont même reçu en 2016 le prix Nobel pour leurs  recherches sur le comportement de ces matériaux « exotiques ».

Le jury du Prix Nobel leur a donné ce prix parce qu’il estimait que les trois chercheurs avaient « ouvert la voie à un monde inconnu où la matière peut passer par des états étranges, comme des superconducteurs, des superfluides (La superfluidité est un état de la matière dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide dépourvu de toute viscosité.) ou encore des films magnétiques fins… ».

“Ce qui permettra des avancées dans la compréhension théorique des mystères de la matière et de créer de nouveaux matériaux innovants.” Tout un programme!

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