Dans une percée scientifique révolutionnaire qui change fondamentalement notre compréhension de la matière dans des conditions extrêmes, une équipe internationale de chercheurs a réussi pour la première fois à mesurer directement la température des atomes dans des substances chauffées à des niveaux inimaginables. Cette réussite ne résout pas seulement un problème de physique vieux de plusieurs décennies, mais lors de son premier test expérimental, elle a renversé de manière inattendue une théorie vieille de quarante ans, révélant que l'or surchauffé peut rester à l'état solide à des températures bien au-delà des limites considérées comme possibles jusqu'alors.

La mesure de la température dans des environnements extrêmement chauds, comme le plasma incandescent à l'intérieur du Soleil, le noyau des planètes ou à l'intérieur des réacteurs à fusion, représente l'un des plus grands défis de la science moderne. Cette matière, connue sous le nom de 'matière dense et tiède' (warm dense matter), peut atteindre des centaines de milliers, voire des millions de degrés, et son profil de température précis est crucial pour comprendre les processus fondamentaux de l'univers et développer de nouvelles technologies énergétiques. "Nous disposons de très bonnes techniques pour mesurer la densité et la pression dans ces systèmes, mais pas la température", explique Bob Nagler, scientifique au Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère américain de l'Énergie. "Dans les études précédentes, les températures étaient toujours des estimations avec d'énormes marges d'erreur, ce qui a considérablement freiné le développement de nos modèles théoriques. C'est un problème qui nous préoccupe depuis des décennies."

Aujourd'hui, comme publié dans la prestigieuse revue Nature, une équipe de scientifiques a démontré une méthode qui contourne tous les obstacles précédents. Au lieu de s'appuyer sur des modèles complexes et difficiles à vérifier, leur technique mesure directement la vitesse de déplacement des atomes, ce qui est la définition fondamentale de la température. Dès ses débuts, cette méthode innovante a donné des résultats stupéfiants : l'équipe a réussi à surchauffer de l'or solide bien au-delà de sa limite théorique, montrant que les matériaux peuvent survivre à ce que l'on appelle une "catastrophe entropique".

Une méthode de mesure révolutionnaire : Comment 'voir' la chaleur des atomes ?

L'équipe, que Nagler a codirigée avec Tom White, professeur agrégé de physique à l'Université du Nevada à Reno, et en collaboration avec des chercheurs de nombreuses institutions mondiales, a travaillé pendant près d'une décennie au développement de cette technique. La clé du succès réside dans la combinaison de deux outils puissants disponibles à l'installation de recherche sur la matière dans des conditions extrêmes (Matter in Extreme Conditions - MEC) du SLAC.

Le processus commence par l'utilisation d'un laser extrêmement puissant qui envoie une impulsion ultracourte sur un mince échantillon d'or, d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement. En une fraction de seconde, l'énergie du laser imprègne l'échantillon, provoquant une vibration des atomes d'or à une vitesse incroyable. Cette vitesse de vibration est directement liée à l'augmentation de la température du matériau. Immédiatement après l'impulsion laser, une autre impulsion de rayons X, tout aussi courte mais exceptionnellement brillante, provenant de la Source de lumière cohérente Linac (Linac Coherent Light Source - LCLS), le laser à rayons X le plus puissant du monde, est envoyée à travers l'échantillon surchauffé.

Lorsque les rayons X traversent l'échantillon, ils se diffusent sur les atomes d'or en vibration. Cela provoque un changement subtil de leur fréquence, un phénomène similaire à l'effet Doppler. En analysant ce changement de fréquence, les scientifiques peuvent calculer de manière précise et directe la vitesse à laquelle les atomes vibrent, et ainsi déterminer la température réelle du système sans aucun modèle intermédiaire ni étalonnage. "Nous avons enfin effectué une mesure directe et sans ambiguïté, démontrant une méthode qui peut être appliquée à l'ensemble du champ de recherche", a déclaré White. Siegfried Glenzer, directeur de la division des sciences de la haute densité d'énergie au SLAC, a ajouté : "Cette technique confirme que le LCLS est à la pointe de la recherche sur la matière chauffée par laser et joue un rôle clé dans l'avancement des sciences de la haute densité d'énergie et des applications transformatrices comme la fusion par confinement inertiel."

Une découverte inattendue : L'or qui défie les lois de la physique

Alors que l'équipe célébrait la démonstration réussie de la nouvelle méthode, une analyse plus détaillée des données a révélé quelque chose de beaucoup plus excitant et de totalement inattendu. Les résultats ont montré que l'or, à l'état solide et cristallin, avait atteint une température incroyable de 19 000 kelvins (environ 18 725 degrés Celsius). Pour mettre cela en perspective, c'est plus de 14 fois la température de fusion de l'or (1337 K) et environ trois fois la température de la surface du Soleil. Pourtant, malgré cette chaleur extrême, l'échantillon a conservé sa structure cristalline solide.

"Nous avons été surpris de trouver une température beaucoup plus élevée dans ces solides surchauffés que ce à quoi nous nous attendions initialement, ce qui réfute une théorie de longue date des années 1980", a déclaré White. "Ce n'était pas notre objectif initial, mais c'est là toute la beauté de la science – découvrir de nouvelles choses dont on ne soupçonnait même pas l'existence."

Chaque matériau a un point de fusion et un point d'ébullition définis, les points auxquels il passe de l'état solide à l'état liquide, et de l'état liquide à l'état gazeux, respectivement. Cependant, le phénomène de "surchauffe" est bien connu, où, par exemple, de l'eau très pure dans un récipient lisse peut être chauffée au-dessus de 100 °C sans bouillir. Cela se produit car il n'y a pas d'impuretés ou de surfaces rugueuses pour amorcer la formation de bulles de vapeur. Mais un tel état est extrêmement instable. Plus un système s'éloigne de son point de transition de phase normal, plus il devient sensible à ce que les scientifiques appellent une catastrophe – une ébullition ou une fusion soudaine et explosive déclenchée par la moindre perturbation.

Le renversement d'une théorie vieille de 40 ans : Survivre à la 'catastrophe entropique'

Une théorie des années 1980, connue sous le nom de "catastrophe entropique", posait une limite supérieure absolue à la surchauffe pour les matériaux solides. Selon cette théorie, il existait une limite fondamentale à la quantité d'énergie thermique qu'un réseau cristallin pouvait absorber avant de s'effondrer spontanément et inévitablement dans un état liquide désordonné, quelle que soit la vitesse de chauffage. L'entropie, en tant que mesure du désordre dans un système, deviendrait simplement trop grande pour maintenir la structure ordonnée d'un solide. "La catastrophe entropique était considérée comme la limite ultime", a expliqué White.

Cependant, cette expérience a montré que cette limite peut non seulement être franchie, mais aussi considérablement dépassée. L'or est resté solide à une température bien supérieure au point de catastrophe prédit. La clé réside dans l'incroyable vitesse de chauffage. L'impulsion laser a fourni de l'énergie au système en quelques billionièmes de seconde. Dans un intervalle de temps aussi court, les atomes ont acquis une énorme énergie cinétique (chaleur), mais n'ont pas eu assez de temps pour initier les processus collectifs nécessaires à la fusion, tels que la dilatation et la formation de défauts dans le réseau cristallin. Le matériau était, en substance, "piégé cinétiquement" dans son état solide.

"Il est important de préciser que nous n'avons pas violé la deuxième loi de la thermodynamique", a ajouté White avec un sourire. "Ce que nous avons montré, c'est que ces catastrophes peuvent être évitées si les matériaux sont chauffés extrêmement rapidement." Ces résultats suggèrent qu'il n'y a peut-être pas de limite supérieure absolue à la surchauffe des matériaux, à condition que le chauffage soit suffisamment rapide pour empêcher l'expansion du matériau et l'effondrement de la structure.

Implications pour l'avenir : Des noyaux planétaires à l'énergie de fusion

Cette découverte a des conséquences profondes et de grande portée. Nagler note que les chercheurs qui étudient la matière dense et tiède ont probablement franchi la limite de la catastrophe entropique pendant des années sans même s'en rendre compte, précisément en raison de l'absence d'une méthode fiable pour mesurer directement la température. Maintenant, avec ce nouvel outil en main, la porte est ouverte à de toutes nouvelles recherches.

L'un des principaux domaines d'application est l'énergie de fusion par confinement inertiel, une technologie qui promet une source quasi illimitée d'énergie propre. Dans les réacteurs à fusion, de minuscules capsules de combustible (généralement des isotopes d'hydrogène) sont comprimées et chauffées par des lasers jusqu'à l'état de matière dense et tiède pour déclencher une réaction de fusion. "Lorsque le combustible implose, il se trouve exactement dans cet état", a expliqué Nagler. "Pour concevoir des cibles de combustible efficaces, nous devons savoir exactement à quelles températures elles subissent des transitions de phase importantes. Nous avons enfin un moyen de réaliser ces mesures."

De plus, cette technique, qui peut mesurer avec précision les températures des atomes dans une plage de 1 000 à 500 000 kelvins, permettra aux scientifiques de reproduire et d'étudier avec une précision sans précédent les conditions qui règnent au plus profond des planètes comme Jupiter et Saturne, ainsi que dans les exoplanètes lointaines. Comprendre le comportement de la matière sous de telles pressions et températures est essentiel pour modéliser l'intérieur des planètes et comprendre leur évolution. "Si notre première expérience utilisant cette technique a conduit à un défi majeur pour la science établie, j'ai hâte de voir quelles autres découvertes nous attendent", a conclu Nagler.