• De la spintronique à la structure de la matière

     

     

    PHYSIQUE DES ONDES

     

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

     

    RUBRIQUE N° 23 De la spintronique à la structure de la matière

     

    Par Paul Bouchard Le 28/07/2018


    1) INTRODUCTION DE LA SUPRACONDUCTION A LA SPINTRONIQUE

    Cette rubrique est la suite logique de la précédente rubrique N°22 qui porte ce titre. Nous vous recommandons de la lire avant d'aborder la présente, et de prendre connaissance en particulier des hypothèses de base du blog qui sont exposées dans son introduction. Nous ne les reprenons pas ici mais leur connaissance est indispensable à la simple compréhension de nos explications.

    Au chapitre N°51 de cette précédente rubrique nous avons étudié le comportement des électrons de couches atomiques fondamentales d'atomes de matériaux diamagnétiques, lorsque ceux-ci sont amenés à des températures proches du zéro absolu et qu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. Le chapitre N°52 étudie le même phénomène pour des matériaux diamagnétiques plus complexes, ''dopés'' d'impuretés paramagnétiques, soumis à des températures moins basses mais également mis en présence d'un champ magnétique extérieur.

     

    Dans les deux cas nous avons vu que les noyaux atomiques des atomes composant le matériau diamagnétique réagissent au champ magnétique extérieur en resserrant ou modifiant la ceinture électronique de bas niveau de ces atomes. Il s'y produit des transferts de polarité (transferts de spin) de certains électrons qui se regroupent en paire en se mariant tête-bêche. Le regroupement des électrons peut même se faire en formant des éléments plus gros, des ''fermions lourds'' qui, comme les paires, ne sont plus polarisés et peuvent donc circuler librement dans les dits ''supraconducteurs''.

     

    La physique des particules et la théorie quantique des champs ont de grandes difficultés à expliquer les phénomènes qui se manifestent expérimentalement, par exemple le spin des électrons et celui de certains neutrons. Je parle ici d'une explication réaliste des phénomènes de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de résonance paramagnétique électronique (RPE). Le terme ''c'est quantique'' répond à toutes les impossibles interprétations. Pour progresser, oublions absolument l'existence supposée de toutes ces pseudo-particules, fictives et virtuelles. Acceptons un électron, onde énergétique de type lumière tournant réellement sur elle-même dans un sens ou dans l'autre de son mouvement longitudinal (c'est un vortex). Le mouvement transversal de ce vortex ''structure'' (matérialise) cette onde et crée sa polarité (électron (-) positron (+). Nous entrons alors dans le domaine du spin de l'électron, branche nouvelle de physique appelée maintenant spintronique.

     

     Du fait qu'il est possible d'agir sur l'électron de deux manières, sur l'onde énergétique et/ou sur l'onde de structure (onde de spin), du fait que c'est la même onde qui tourne, que ces deux mouvements sont en corrélation et qu'ils sont quantifiés, la physique des ondes précise que la spintronique ne se limite pas au traitement de l'information comme on le considère actuellement. En effet, pour la physique des ondes, ce nouveau domaine d'étude concerne bien évidemment celui de l'énergie (électrotechnique (courants forts), électronique (courants faibles), énergie nucléaire), mais, oûtre le traitement numérique (digital) de l'information et de la communication, il couvre également le domaine considérable de la structure de la matière (matériaux nouveaux, éléments chimiques, matière vivante). La présente rubrique voudrait montrer l'ampleur et l'importance de ce sujet. 

     

    2) DÉFINITIONS DU SPIN ET DE LA SPINTRONIQUE

     

    21) Suivant la physique standard

     

    Nous citons intégralement les définitions que l'encyclopédie Wikipédia donne du spin et de la spintronique. Ces textes explicitent la conception actuelle standard des phénomènes en se servant des termes utilisés par la physique des particules et la théorie quantique des champs. Ces définitions montrent l'ensemble des domaines scientifiques concernés du fait que le spin se trouve au cœur même de la matière. 

    << La spintronique, électronique de spin ou magnéto-électronique, est une technique qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des informations. >> 

    << Le spin est, en physique quantique, une des propriétés internes des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Comme d'autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d'incertitude. C'est la seule observable quantique qui ne présente pas d'équivalent classique, contrairement, par exemple, à la position, l'impulsion ou l'énergie d'une particule. >> 

    << Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique ou à la rotation d'un astre sur lui-même, comme dans l'expression « résonance spin-orbite ». Enfin, le moment cinétique intrinsèque (de spin) et le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de ''spin''. Le spin du photon – ou plus exactement son hélicité – est associé à la polarisation de la lumière. >> 

    << Le spin a d'importantes implications théoriques et pratiques, il influence réellement tout le monde physique. >> Il est responsable du moment magnétique de spin des particules (électrons et nucléons) et, pour les électrons en mouvement, est lié à leur moment cinétique dit orbital par un rapport constant appelé rapport gyromagnétique. 

    << Les particules sont classées selon la valeur de leur nombre quantique de spin (aussi appelé communément le spin) : les bosons de spin entier ou nul, et les fermions de spin demi-entier. Fermions et bosons se comportent différemment dans des systèmes comprenant plusieurs particules identiques. Le comportement fermionique de l'électron est ainsi la cause du principe d'exclusion de Pauli et des irrégularités de la table périodique des éléments. L'interaction spin-orbite conduit à la structure fine du spectre atomique. Le spin de l'électron joue un rôle important dans le magnétisme. La manipulation des courants de spins dans des nano-circuits conduit au nouveau champ de recherche qu'est la spintronique. La manipulation des spins nucléaires par résonance magnétique nucléaire est importante dans la spectroscopie RMN et l'imagerie médicale (IRM). >> Wikipédia

     

    22) Le spin vu par la physique des ondes 

     

    Rappelons pour commencer que la physique des ondes considère le ''quantum de mouvement'', de même que la vitesse de la lumière , comme des propriétés de la ''substance de l'espace'' (S.E.). Cette physique est bien quantique et relativiste. Son concept de base stipule que la matière est faite d'ondes de cette (S.E.). L'électron, onde double énergie et structure en forme de vortex, est la particule élémentaire de base de toute matière qui est faite de (S.E.) et qui circule dedans, de même que les ondes énergétiques de type lumière (qui ne sont pas magnétiques). L'ensemble de cette physique des ondes (hypothèses et développement) est exposé dans les 5 premiers chapitres de ce blog intitulé ''Essai d'une nouvelle physique''. 

     

    Ces hypothèses principales étant exprimées, il devient évident pour la physique des ondes que l'ensemble des particules, élémentaires et composées, ne sont pas des boules de billard qui circulent et agissent les unes sur les autres. La mécanique et ses différents concepts doivent être réservés à l'étude de la matière à l'échelle uniquement macroscopique. Tous les phénomènes quantiques ressortent du domaine des ondes. Ils ne peuvent être décrits complètement par la mécanique quantique et la statistique, ou une cinématique interne à l'atome.

     

    La physique des ondes parle aussi de spin, mais d'un spin réel qui se confond avec ce que nous avons appelé l'onde de structure, celle qui est transversale et qui ''matérialise'' (en la faisant tourner comme un vortex), l'onde longitudinale de type lumière. C'est la même onde qui tourne, ce qui réalise matériellement le dit ''couplage spin-orbite''. Cette onde de structure polarise l'électron-positron (-/+) suivant son sens de rotation, elle est à l'origine de son champ magnétique (en liaison avec le proton du noyau). Elle participe à la force électromagnétique de l'électron libre, au magnétisme, à la gravitation, mais surtout elle est à l'origine de la force qui réunit les nucléons (force forte). La rubrique N°1 du blog est entièrement consacrée à cette onde de structure. Pour comprendre et éventuellement accepter ces concepts, je recommande sa lecture. 

     

    L'approfondissement par la physique des ondes de la notion de spin se fera ci-dessous au chapitre N°4 en envisageant les deux domaines de relation de l'électron. Le premier concerne l'interaction des électrons à l'intérieur de l'atome et la relation des électrons libres entre atomes et dans les conducteurs de courant électrique. C'est le transfert (ou couplage) spin-orbite. Le deuxième domaine est celui du couplage de l'électron avec son correspondant, le proton du noyau atomique auquel il est rattaché. Cette dernière relation est plus structurelle qu'énergétique. Protons et neutrons sont également en rapport ''d'isospin'' (symétrie de l'interaction forte) qui est aussi un nombre quantique. Les relations de spin entre nucléons du noyau atomique ne seront pas traitées dans cette rubrique. 

     

    3) HISTORIQUE DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE ET DU CONCEPT DE SPIN 

     

    Dans notre rubrique N° 4 intitulée ''Ondes et matière, un historique ( 1750-1930)'' vous pouvez trouver l'histoire de l'élaboration de la physique moderne (quantique) ainsi que l'analyse des problèmes posés par la dualité ''onde-particule''. Pour traiter le concept de spin, j'estime qu'il est bon d'approfondir cet historique particulièrement entre 1910 et 1930 car c'est entre ces dates qu'est né l'atome moderne et que s'est produit la véritable ''révolution quantique''. 

     

    31) Niveaux quantiques d'énergie dans l'atome de Bohr. Cas de l'atome d'hydrogène 

     

    Pour rédiger ce chapitre N°3, il nous faut repartir des connaissances fondamentales mises en évidence, il y a un siècle, par tous ces physiciens expérimentateurs géniaux qui ont ''inventés'', avec peu de moyens, la physique quantique du cœur de l'atome. Nous précisons ci-dessous les principales étapes de ces découvertes et leurs auteurs : 

     

    L'étude du spectre de l'hydrogène par Lyman, Paschen, et Balmer permet à ce dernier de déterminer en1855 une expression empirique simple qui explique les séries de raies spectrales de l'hydrogène trouvées dans le visible par Ångström et dans l'ultra-violet par Huggins.

     

    La spectroscopie théorique naît avec la loi du rayonnement de Gustav Kirchhoff, publiée en 1859. Elle explique l'équivalence entre le spectre d'émission et le spectre d'absorption des substances chimiques. Par la suite, Johannes Rydberg et Walther Ritz en 1908, généralisent ce résultat par une formule applicable à l'ensemble des éléments chimiques (formule et constante de Rydberg).

     

    En 1897, Joseph John Thomson identifie l'électron comme étant une particule élémentaire chargée négativement. Il propose alors un modèle d'atome composé d'électrons dispersés au sein de l'atome, mais avec de multiples structures et positionnements possibles, (anneaux d'électrons tournants par exemple).

     

    Ernest Rutherford en 1911 montre l'existence dans l'atome d'un très petit noyau chargé positivement. Il propose un modèle atomique constitué d'électrons négatifs qui orbitent sur des trajectoires circulaires autour d'un noyau dense positif. Ce dernier équilibre la charge négative des électrons. Les électrons sont situés sur des orbites à des niveaux d'énergie précis mais peuvent en changer par absorption ou émission de rayonnement.

     

    C'est entre 1900 et 1910 que Max Planck émet une hypothèse à peine croyable qui va cependant révolutionner la physique. Pour expliquer un phénomène (rayonnement du corps noir), il admet que les échanges d'énergie (l'énergie lumineuse) reçue et émise par la matière, sont quantifiés. Cela signifie que tous les échanges d'énergie ne peuvent avoir lieu que par multiples entiers d'une quantité minimale d'énergie dite ''quantum de mouvement minimum'' (quanta au pluriel).

     

    Pour un rayonnement monochromatique de fréquence (ν) (nu), la différence (delta) d'énergie échangée est égale à :

    Delta E =( n) x (h) x (ν)

    où (n) = 0,1,2,3,...est un nombre entier positif, (ν) est la fréquence en hertz du rayonnement (onde de type lumière) et (h) une nouvelle constante universelle, aujourd'hui appelée constante de Planck ou quantum d'action. Sa valeur est :

    ( h) = 6,626 x 10 puissance-34 joule.s

    Cette constante s'est révélée être une donnée universelle d'une importance égale à celle de la vitesse de la lumière car elle est le lien réel entre la matière (l'électron) et l'énergie (ce sont des ondes). Nous avons vu que ce quantum de mouvement minimum ainsi que la vitesse de la lumière sont des propriétés de la ''substance de l'espace''. Ce sont d'ailleurs les seules propriétés mesurables de cette ''pré-matière'' (voir site de J.J.Micalef ''Nouveaux principes de physique''). 

     

    Je cite Wikipédia : << Cette nouvelle donnée quantique est transposée par Niels Bohr à l'atome d'hydrogène étudié précédemment et théorisé par Rydberg...Élaboré par Niels Bohr en 1913, le modèle d'atome de Bohr rencontra un succès immédiat car il expliquait de manière simple les raies spectrales des éléments hydrogénoïdes tout en effectuant un rapprochement entre les premiers modèles de l'atome et la théorie des quanta. >>

     

    << Les orbites des électrons sont donc "quantifiées" par un nombre entier (n) positif. Cette quantification a été confirmée par l'expérience de Franck et Hertz, dont l'intérêt a été de montrer que la quantification n'est pas seulement due à celle de la lumière, mais résulte bien de la quantification des orbites électroniques de l'atome. >> 

     

    Un postulat important de la théorie de Bohr indique que l'électron ne rayonne aucune énergie s'il se trouve sur une orbite stable dite encore stationnaire. Le rayon de la plus petite orbite, dite niveau fondamental, correspondant à (n) = 1 est appelé ''rayon de Bohr''. L'énergie du niveau fondamental est appelée ''l'énergie de Rydberg'', elle correspond au niveau d'énergie le plus bas possible ((n) = 1). Pour l'hydrogène, elle vaut en électron-volt :

    E = -13,58 eV 

     

    L'énergie de rayonnement dans l'atome d'hydrogène a été traitée par la physique des ondes dans notre rubrique N°10 de ce blog intitulée ''L'énergie et la chaleur dans l'atome''. J'en reprends ci-dessous des passages pour montrer, sur l'exemple le plus simple de l'atome d'hydrogène, l'importance du nombre quantique principal qui est : (n) = 1 ,2, 3, 4, 5.. dans l'échelonnement quantique des niveaux électroniques d'énergie. Il s'agit bien d'ondes, avec une fréquence fondamentale et avec ses harmoniques. 

     

    Cela fait penser aux instruments de musique avec le son fondamental et ses harmoniques (voir notre rubrique N°6 ). On pourrait le comparer aussi (avec un peu d'imagination) à une voiture dont le moteur tournant au ralenti est en relation avec l'embrayage automatique. De même, le proton du noyau d'un atome en repos est en relation permanente de spin avec son électron correspondant. Il suffit ''d'appuyer sur l'accélérateur'' (d'envoyer sur l'atome un rayonnement correspondant à la fréquence de l'énergie de transition) pour que la ''boite à vitesse'' quantique passe le ou les quanta de mouvement nécessaires au franchissement d'orbite. Notons que pour nous il s'agit de mise en résonance (d'accord de fréquence). Les énergies de transition des divers niveaux énergétiques sont données en Joule par le moyen de la formule suivante : 

     

    De la spintronique à la structure de la matière

     

    Tableau des longueurs d'onde de transition entre les niveaux d'énergie de l’atome d'hydrogèneExtrait de : http://www.uqac.ca/chimie_ens/Physique_atom/Chap_htm/CHAP_5.html

    (A)       (B)                              (C)                                                   (D)    (E)

    De la spintronique à la structure de la matière

    UV       Visible   ________IR________

     Dans le tableau précédent il est indiqué (de gauche à droite) :

    (A) = Échelle énergétique en électron-volt.

    (B) = Les niveaux (n) d'énergie électronique.

    (C) = Les valeurs des longueurs d'onde en nanomètres des rayonnements émis ou absorbés pour chacune des séries, Lyman dans l'UV, Balmer dans le visible, Paschen et Brackett dans l'infrarouge. (D) = Nom des couches électroniques.

    (E) = Echelle des longueurs.

     

    32) La mécanique quantique électronique et la mécanique matricielle 

     

    La simplicité de l'atome d'hydrogène (un proton et un électron) a permis à Bohr de construire expérimentalement son modèle d'atome. Cela a facilité la compréhension du rôle de l'électron dans l'atome, a permis le calcul des échanges d'énergie internes et surtout a confirmé la véracité des thèses de la physique quantique. Restait à établir une théorie adaptée à ces nouvelles données. Tous les physiciens et chimistes de l'époque se sont attelés à cette tâche en fonction de leurs orientations et de leurs compétences.

     

    Tous ces scientifiques se sont vite aperçus que l'explication des phénomènes internes à l'atome était complexe. Ainsi les raies spectrales se dédoublent en raisons de diverses causes. Ce sont par exemple : l'influence des électrons entre eux, l'existence de champs magnétiques internes, l'incertitude sur la position et le mouvement orbital des électrons, l’existence même des électrons en tant que ''boules'' de matière (ce serait plutôt des nuages) (en réalité ce sont des ondes)...etc. 

     

    Arnold Sommerfeld (1868-1951) est un physicien mathématicien allemand qui étudia la théorie atomique de Bohr, le comportement des électrons dans les métaux, les statistiques de Fermi. Son livre intitulé Structure atomique et lignes spectrales (1919) permit de rendre compte de la ''structure fine des raie spectrales'' de l'hydrogène. La constante de structure fine qu'il a établie, mesure les écarts relativistes entre les raies spectrales atomiques qui sont apparues dans le modèle de Bohr. Elle est représentée par la lettre (alpha).

     

    Sa valeur est : 1/ 137,035 999 7867 

    Cette constante a sa place dans les nombres remarquables de la physique. Je cite Wikipédia : 

     

    << Historiquement, la première interprétation physique de la constante de structure fine était qu'il s'agissait du rapport entre la célérité de l'électron sur la première orbite circulaire de l'atome de Bohr relativiste et la vitesse de la lumière dans le vide. De façon équivalente, c'était le quotient entre le moment angulaire maximum autorisé par la relativité pour une orbite fermée et le moment angulaire minimum permis par la mécanique quantique. >>

     

    << La constante de structure fine a longtemps été un objet de fascination pour les physiciens car elle ne semble pas directement liée à des constantes mathématiques. Richard Feynman, l'un des fondateurs de l'électrodynamique, la comparait au ''plus grand mystère de la physique : un nombre magique qui va au-delà de la compréhension de l'homme''.>>

     

    << La valeur de la constante de structure fine décrit la force relative de l'électromagnétisme. Une valeur légèrement plus grande augmenterait l'attraction ou la répulsion entre particules chargées. Cela changerait la taille des atomes, les bandes d'énergie des électrons, et donc toutes les couleurs dans la nature. Une valeur proche de l'unité conduirait à des interactions si importantes entre particules qu'il ne serait même plus possible de les individualiser, la notion même de particule devenant problématique. >>

     

    Nombres de mystère seront peut-être résolus si l'on accepte que la matière soit faite d'ondes !!!

     

    Les scientifiques de cette époque (entre 1915 et 1920) ont voulu généraliser rigoureusement la théorie quantique de l'atome d'hydrogène à l'ensemble des éléments chimiques en y apportant les corrections expérimentales nécessaires. Il leur a fallu rajouter des ''nombres quantiques'' supplémentaires pour tenir compte des relations électroniques (des ondes) internes ou extérieures à l'atome qui viennent modifier le niveau de fréquence des orbites électroniques. Pour nous cela ressemble à des notes intermédiaires, des dièses, des bémols modifiant les sons et créant ainsi des partitions originales pour chaque instrument (élément chimique) inséré dans un orchestre (un matériau). Voici les nombres utilisés par la ''mécanique quantique'' : (textes suivants de Wikipédia). 

     

    << En mécanique quantique, le nombre quantique secondaire, noté ℓ, également appelé nombre quantique azimutal, est l'un des quatre nombres quantiques décrivant l'état quantique d'un électron dans un atome. Il s'agit d'un nombre entier positif ou nul lié au nombre quantique principal n par la relation : 0 ≤ ℓ ≤ n – 1. Il correspond au moment angulaire orbital de l'électron, et définit les sous-couches électroniques des atomes, tandis que le nombre quantique principal n définit les couches électroniques. Il a été introduit par Arnold Sommerfeld à partir du modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène et rend compte de la structure fine du spectre de l'atome d'hydrogène. >> 

     

    Nombres quantiques de l'électron dans le modèle de Hund-Mulliken 

    Nom                              Symbole                    Analogie classique              Intervalle de valeurs

    Nombre principal        ( n )      Niveau d'énergie de l'électron dans l'atome    1, 2, 3, 4, etc.

    Nombre azimutal         ( ℓ )      Moment angulaire orbital de l'électron        0, 1, 2, ... n – 1

    Nombre magnétique  ( mℓ)     Projection du moment angulaire orbital            – ℓ, ... 0, ... ℓ

    Nbre mag. de spin      (ms)      Projection du moment angulaire intrinsèque    + ou– 1/2

     

    << Plusieurs modèles quantiques ont été proposés pour décrire le comportement des électrons dans les atomes, mais le principal d'entre eux est la théorie de l'orbitale moléculaire de Friedrich Hund et Robert Mulliken à partir des travaux d'Erwin Schrödinger, John Slater et John Lennard-Jones. Cette nomenclature intègre les niveaux d'énergie du modèle de Bohr, la théorie des orbitales de Hund-Mulliken, et l'observation du spin de l'électron à l'aide de la spectroscopie et des règles de Hund. >> 

     

    << Ce modèle (1927-28) décrit les électrons d'un atome à l'aide de quatre nombres quantiques n, ℓ, mℓ et ms, et cette nomenclature est également utilisée dans la description classique de l'état quantique des nucléons, c'est-à-dire des protons et des neutrons constituant les noyaux atomiques. La description quantique des orbitales moléculaires fait appel à d'autres nombres quantiques car l'hamiltonien et ses symétries y sont très différents. >> 

     

    << En 1925, Werner Heisenberg (1901-1976) physicien allemand, est convaincu que l’on doit abandonner le concept purement mécanique de trajectoire. Pour lui, les transitions entre deux positions successives ne peuvent pas être connues de manière certaine : seule leur probabilité peut être calculée. Il propose en 1925 de remplacer les équations dynamiques du mouvement par des matrices donnant la probabilité de transition entre états. Heisenberg adopte une formalisation matricielle à opération non commutative, la « mécanique matricielle ». Dans le même temps Erwin Schrödinger propose une approche ondulatoire, par résolution de fonctions d'ondes en utilisant les équations différentielles. Pour cette raison, on croit d'abord que les deux théories sont distinctes, mais, l'année suivante, Schrödinger établit l'équivalence mathématique des deux formulations. Deux ans plus tard, en 1927, il ira encore plus loin en formulant le principe d’indétermination : on ne peut pas connaître simultanément de manière infiniment précise la position et la quantité de mouvement d’une particule. >>

     

    33) La fonction d'onde

     

    Je cite à nouveau Wikipédia. ( Merci à cette encyclopédie).

    << En 1924 un jeune doctorant, Louis de Broglie propose d’associer une onde à toute particule (l'onde pilote). Cette dualité onde-particule est une propriété connue de la lumière. De Broglie fait l’hypothèse qu’elle s’applique aussi aux particules massives, et en premier lieu à l’électron. C’est une remise en cause radicale des fondements de la physique. >>

     

    << . En 1926, Erwin Schrödinger (1887-1961), scientifique et philosophe autrichien, intrigué par la dualité onde-particule proposée par de Broglie, formule l’équation qui décrit le comportement dynamique de l’onde associée à un électron. Dans l’esprit de Schrödinger, cette onde est une onde de matière. >>

     

    << En imaginant l'équation d'évolution de la fonction d'onde associée à l'état d'une particule, Schrödinger a permis le développement du formalisme théorique de la mécanique quantique. Cette équation d'onde, qui tient compte à la fois de la quantification et de l'énergie non relativiste, a été appelée par la suite ''équation de Schrödinger'' (pour laquelle il a reçu, en commun avec Paul Dirac, le prix Nobel de physique de 1933). >> 

     

    << Max Born (1882-1970) est un physicien allemand. théoricien remarquable. Il suggère que l’onde décrite par l’équation de Schrödinger n’est pas une onde de matière mais une fonction d’onde décrivant la probabilité de la particule de se trouver à un endroit donné (probabilité de présence). Il fait ainsi la jonction entre la représentation matricielle d’Heisenberg et la représentation ondulatoire de Schrödinger. Il a été le premier à donner au carré du module de la fonction d'onde la signification d'une densité de probabilité de présence. >> 

     

    34) Théorie quantique des champs. ( <<...>> textes de Wikipédia) 

     

    Les années1925-1930 marquent un tournant dans la conception de la physique quantique. Il était devenu nécessaire, en appliquant la théorie quantique aux atomes d'un matériau, d'en expliquer et déterminer les propriétés physiques et chimiques tout en les reliant à l'ensemble de ses propriétés électromagnétiques. L'influence des champs magnétiques sur les électrons s'est révélée une donnée quantique aussi importante que la fonction d'onde.

     

    << La théorie quantique des champs prend ses origines dans les années 1920, lorsque est survenu le problème de la création d'une théorie quantique du champ électromagnétique. En 1925, Werner Heisenberg, Max Born et Pascual Jordan construisent cette théorie en exprimant les degrés internes du champ libre comme une infinité d'ensembles d'oscillateurs harmoniques quantifiés... Mais la théorie assez complète de l'électrodynamique quantique, qui inclut à la fois le champ électrodynamique et la matière électriquement chargée (spécifiquement, les électrons) comme objets mécaniques quantiques, a été élaborée par Paul Dirac en 1927. >>

     

    << La théorie quantique des champs est considérée généralement comme la seule façon correcte de combiner les règles de la mécanique quantique avec celles de la relativité restreinte. La théorie des perturbations, est un ensemble de schémas d'approximations liée à une perturbation mathématique utilisée pour décrire un système quantique complexe de façon simplifiée. Cette théorie amène à considérer les forces entre les particules comme provenant, en fait, d'échanges d'autres particules, appelées médiateurs. >> Wikipédia 

     

    << Ainsi, la force électromagnétique entre deux électrons est causée par un échange de photons, les bosons W et Z sont les médiateurs de l'interaction faible, et les gluons ceux de l'interaction forte. Il n'y a pas actuellement de théorie quantique complète de la dernière des forces fondamentales, la gravité, mais beaucoup de théories revendiquent l'existence d'une particule appelée graviton qui en serait le médiateur. Ces médiateurs sont des particules virtuelles et, par définition, ne peuvent pas être détectées lors de la manifestation de la force. >> Wikipédia 

     

    Il existe un réel problème de cohérence entre la forêt de particules de la théorie quantique des champs et les particules déclarées existantes par la physique standard des particules. Le site que nous citons ci-dessous parle de ''l'embrouille'' des deux notions de particules : 

     

    https://www.pourlascience.fr/sd/physique-theorique/particules-et-champs-sont-ils-reels-7555.php

    << La théorie quantique des champs associe un champ à chaque type de particule élémentaire, si bien qu'il existe un champ électronique pour l'électron, un champ pour chaque type de particule. Les champs de force sont les médiateurs des interactions de ces particules. En même temps, les champs de force ont, eux aussi, des particules associées. Par exemple, le photon est la particule associée au champ électromagnétique. La distinction entre particules et champs semble artificielle et, dans le discours des physiciens, l'une ou l'autre notion ressort comme étant la plus fondamentale. Ce point a été beaucoup débattu : la théorie quantique des champs concerne-t-elle en fin de compte les particules ou les champs ? >> 

     

    Il est hors de mon sujet de décrire l'historique des multiples difficultés rencontrées pour accorder la théorie quantique des champs avec la réalité. Ce sujet est traité sur le site suivant :

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_quantique_des_champs 

     

    Cependant la notion de ''champ'' qui est à la base de la ''théorie quantique des champs'' permet à celle-ci, grâce à la notion de ''fonction d'onde'' qu'elle a entérinée, de se rapprocher de la réalité de notre électron, onde double. Nous l'avons vu, cette théorie des champs admet que le ''moment magnétique intrinsèque'' de l’électron et son ''moment cinétique intrinsèque'' sont associés sous le terme de ''interaction (ou couplage) spin-orbite''. Nous en parlons ci-dessous dans le chapitre qui expose la vision du spin par la physique des ondes. 

     

    35) Historique du concept de spin

     

    L'historique présenté ci-dessous entre guillemets est intégralement issu du site Wikipédia suivant :

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Spin 

      

    << La genèse du concept de spin fut l'une des plus difficiles de l'histoire de la physique quantique dans le premier quart du 20ème siècle. L'effet Zeeman anomal, la structure hyperfine des raies spectrales ou encore l'expérience de Stern et Gerlach (1922) posaient à cette époque de grosses difficultés d'interprétation. La découverte du spin par Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck en septembre 1925 a été révolutionnaire. Immédiatement après la publication de ce concept, un problème de facteur 2 dans la structure fine du spectre de l'hydrogène, identifié par Heisenberg, fut résolu par les deux physiciens et publié en décembre 1925. Leur interprétation incorporait la nouvelle notion de spin. >> 

     

    << Le spin a d'abord été interprété comme un degré de liberté supplémentaire, s'ajoutant aux trois degrés de liberté de translation de l'électron : son moment cinétique intrinsèque (ou propre). En d'autres termes, l'électron ponctuel était vu comme tournant sur lui-même, d'où le nom de « spin », en anglais « tourner rapidement sur son propre axe ». Même en français, le mot est prononcé comme en anglais. Cependant, il est vite apparu que cette « rotation » est purement quantique, et n'a pas d'équivalent en mécanique classique. La représentation du spin en termes de simple rotation est donc abandonnée. Wolfgang Pauli avait déjà montré en 1924 que, compte tenu des dimensions connues de l'électron, une rotation de l'électron nécessiterait une vitesse tangentielle de rotation à son équateur qui serait supérieure à la vitesse de la lumière, vitesse en principe infranchissable selon la théorie de la relativité restreinte. >>

     

    << La notion théorique de spin a été introduite par Pauli en décembre 1924 pour l'électron, afin d'expliquer un résultat expérimental qui restait incompréhensible dans le cadre naissant de la mécanique quantique non-relativiste : l'effet Zeeman anomal. L'approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad hoc le spin en ajoutant un postulat supplémentaire aux autres postulats de la mécanique quantique non-relativiste (équation de Schrödinger, etc.). >>

     

    << En 1927, Wolfgang Pauli a proposé une équation de modélisation du spin en termes de matrices, ce qui correspond à une écriture en termes d'opérateurs sur la fonction d'onde intervenant dans l'équation de Schrödinger. En 1928, à partir de l'équation de Klein-Gordon, Paul Dirac démontra qu'une particule ayant un spin non nul vérifie une équation relativiste, équation de Dirac. >> 

     

    << Enfin, c'est en théorie quantique des champs que le spin montre son caractère le plus fondamental. L'analyse du groupe de Poincaré effectuée par Wigner en 1939 montra en effet qu'une particule est associée à un champ quantique, opérateur qui se transforme comme une représentation du groupe de Poincaré. Ces représentations irréductibles se classent par deux nombres réels positifs : la masse et le spin. >> Wikipédia

     

    Cette présentation montre la dichotomie qui a surpris les scientifiques au début du 20ème siècle, et qui existe toujours, entre la réalité expérimentale et son impossible explication par la physique standard des particules. Tous les phénomènes curieux ont alors été incorporés dans les bizarreries de la physique quantique. ''Vous avez dit quantique...comme c'est pratique''. 

     

    Heureusement, la Mathématique a permis aux chercheurs de ''sublimer'' les difficultés en restant cependant au plus près du réel. La notion de ''fonction d'onde'' les a fait progresser sans remettre en cause les schémas physiques fondamentaux, en acceptant des compromis successifs mais qui se révèlent toujours sans issue définitive.

     

    Cela ira bien jusqu'à la prochaine ''particule de Dieu'' qui, espère-on, permettra de marier la physique quantique avec la relativité, et de rendre réelles des notions abstraites : la masse, la charge, les champs, le temps, l'espace, et enfin le vide. En effet toutes ces abstractions qui tentent de cerner la réalité la cachent dans des formules abstraites comme celles de la théorie quantique des champs. Notre monde réel est fait de mouvement (d'énergie) et de matière. Le mouvement, on voit bien ce que c'est, la matière, c'est apparemment du solide du liquide ou du gaz, du plasma aussi. 

     

    Quand le physicien explique que la matière est constituée de vide (au moins 99,9999999999999 % de vide) et que le volume restant est fait de particules (protons, neutrons du noyau) autour desquelles des électrons, en forme de boules, tournent sur des orbites comme des planètes autour de leur étoile, on peut en accepter l'idée, mais moins facilement la réalité. D'autant plus que cela se passe dans une autre dimension que celle de notre monde habitable (voir notre rubrique N°5, les dimensions de notre monde). 

     

    Si, en plus, on ose prétendre que ces particules ne sont pas des boules mais des ondes, cela est franchement impossible ''à avaler''. Voici pourquoi les scientifiques, craignant le ridicule, parlent depuis cent ans de ''fonctions d'ondes'' et de ''moment magnétique de spin''. Si cela n’empêche pas les spécialistes de travailler et d'avancer, l'inconvénient réside dans la sclérose de l'enseignement, dans une perte de temps en discussions stériles, en recherches coûteuses et inutiles. Il faudra encore une nouvelle génération (20ans) pour qu'on ose mettre en accord la théorie avec la réalité.

     

    4) LE SPIN VU PAR LA PHYSIQUE DES ONDES 

     

    41) La réalité des dimensions quantiques 

     

    Pour tenter de cerner dans notre esprit la réalité des phénomènes intra-atomiques, il est nécessaire de positionner leur champ d'action par rapport au nôtre. Notre rubrique N°5 ''les dimensions de notre monde'' compare en puissance de 10 (en gras) les négatifs et les positifs des échelles extrêmes Nous observons alors que le monde quantique se situe à une échelle de dimension aussi éloignée de la notre que celle des confins de notre univers connu. :

     

    La constante de Planck, exprimée en joule-seconde, h ≈ 6,626 069 57×(10p-34) J⋅s,

    Le « quantum d’action », est également appelé « constante de Planck réduite »       notée ħ ( h barre) il est exprimé en joule-seconde, il vaut ≈ 1,054 571 726 ×(10p-34) J⋅s

    La masse de l'électron au repos est estimée à 9,109 382 ×(10p-31) kg

    La charge élémentaire de l'électron est l'électron-volt :

    1 eV = 1,602 176 565 × (10p-19 )joule

    Le centre de l'onde-électron peut être comparé à une poussière située à l'intérieur du stade de France (de son atome). Cette onde est un ''nuage'' en liaison de spin avec ses voisines et avec son proton.

    Un atome mesure, en moyenne, environ 1 Angström (10p-10 ) mètres, soit 0,1 nanomètre, soit un dixième de milliardième de mètre.

    La taille du noyau en mètre est environ de (10p-15), (100 000 fois plus petite que celle de l'atome).

    Le noyau d'un atome peut être comparé à un grain de sable situé au milieu du stade de France.

    Les longueurs d'onde des rayonnements ionisants ( rayons gamma), sont inférieures à 10 picomètres, c'est à dire inférieures à (10p-11) mètre.

    Les longueurs d'ondes des rayons X (et donc des électrons) vont de 10 picomètres    (10p-11) à 10 nanomètres.

     

    En comparaison :

    L'étoile Proxima du Centaure est à 4,2 AL, soit à 39,736 (10 p+15) mètres de la terre.

    La proche galaxie d'Andromède est à 2.538.000 AL, soit à 24 x (10 p+21) mètres de la terre.

    Les confins de l'univers connu se trouvent à 15 milliards d'AL, soit à 141 x (10 p+24) mètres.

     

    Le monde quantique est bien ''un autre monde'' qui nous a été révélé par la spectroscopie et grâce aux couleurs de la lumière. Mais il faut admirer la perspicacité de Max Planck qui, par l’expérimentation et le calcul, est arrivé à pénétrer cette physique jusqu'à l'origine de la matière. Grâce à cette ''révélation'' quantique et à tous les travaux expérimentaux préparatoires et postérieurs réalisés par ces merveilleux scientifiques de la fin du 19ème siècle, il a été possible de connaître le mécanisme de fonctionnement intérieur de l'atome. Il s'en est suivi de nouvelles techniques pour les microscopes permettant de ''visionner'' la matière jusqu'à 10 angströms.

     

    C'est d'ailleurs grâce au spin des nucléons que le microscope à force atomique fonctionne (voir notre rubrique N°2). Il en est de même de la résonance magnétique nucléaire (RMN) dont nous avons parlé plusieurs fois (voir rubrique N°1 ''les ondes de structure de la matière'' chapitre N°91).

     

    J'ai même trouvé sur internet une transposition à l'échelle nanométrique de l'atome d'hydrogène obtenue par une équipe internationale dirigée par Aneta Stodolna, du FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF) à Amsterdam, Pays-Bas qui a pu, par une méthode de photo-ionisation, obtenir directement la structure nodale des orbites d’un électron d’un atome d’hydrogène placé dans un champ électromagnétique. Voici l'adresse du site et une des photos.

    http://mavoiescientifique.onisep.fr/un-regard-neuf-sur-la-fonction-donde-de-latome-dhydrogene/ 

    De la spintronique à la structure de la matière

    L'ionisation consiste à ''exporter'' l'électron loin du noyau dans l'état de Rydberg (état excité d'un atome dont le nombre quantique principal (n) (numéro de la couche) est très élevé (ici 30). Par des mesures électriques de la force d'extraction des électrons, il est possible, grâce à cette astuce de transposition, de réaliser par ordinateur, un tel agrandissement de ce qu'on peut considérer comme une photo des orbites électroniques.

     

    Cependant tous les scientifiques s'accordent à dire que l'emploi du mot ''orbite'' n'oblige pas à penser que l'électron tourne effectivement autour du noyau de son atome. De plus en plus souvent il est remplacé par le terme ''niveau d'énergie'' qui semble plus correct. Nous avons longuement étudié au chapitre précédent N°3, les niveaux quantiques ainsi que les énergies de transition en rapport avec les échanges énergétiques extérieurs. Mais nous reprenons ci-dessous plusieurs constatations faites dans les précédentes rubriques du blog car elles soulignent le lien intime existant dans la réalité entre l'énergie et le spin. Nous parlons maintenant de spin et de structure.

     

    42) Le couplage spin-orbite

     

    En mécanique quantique, l'interaction spin-orbite (ou couplage spin-orbite) qualifie toute interaction entre le spin d'une particule et son mouvement. Le spin est, en physique quantique, une des propriétés internes des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Une orbitale atomique est une fonction mathématique qui décrit le comportement ondulatoire d'un électron ou d'une paire d'électrons dans un atome. Cette fonction donne la probabilité de présence d'un électron d'un atome dans une région donnée de cet atome.

     

    Pour la physique des ondes le terme de ''couplage'' est une réalité qui correspond exactement à la nature de l'électron. Celui-ci est LA particule élémentaire constituée par une onde énergétique longitudinale de type lumière matérialisée par une onde transversale dite de structure. C'est la même onde qui tourne (spin) en forme de vortex en mouvement ( en orbite), en forme de disque au repos (au niveau fondamental).

     

    Contrairement à la physique standard, la physique des ondes déclare que l'électron est la seule onde électromagnétique, la lumière n'étant pas du tout magnétique. D'autre part la masse et la charge sont des notions abstraites qui correspondent en réalité à un nombre d'électrons en mouvement {nombre de masse élémentaire (m), nombre de charge élémentaire (e) }

     

    Pour comprendre et surtout admettre la physique des ondes, il faut prendre connaissance de l'ensemble des hypothèses contenues dans les chapitres qui sont à l'origine de ce blog. La nature de l'électron me semble une évidence, celle des nucléons peut paraître moins certaine.

     

    L'existence d'une ''substance de l'espace'' (S.E.) est une obligation pour la circulation des ondes lumières. L'existence d'un quantum de mouvement est la ''découverte'' géniale de Planck. Ceci a permis d'expliquer le fonctionnement interne de l'atome, ainsi que tous les échanges d'énergie. Nous pensons que le quantum de mouvement est une propriété de la (S.E.).

     

    L'interaction ''spin-orbite'' de l'électron, estimée réelle par la physique des ondes, demande de notre part un essai de réalisme et une interprétation plus profonde des phénomènes internes à l'atome. Nous essayons ci-dessous d'examiner les problèmes qui se posent, sinon de conclure.

     

    43) Le niveau électronique fondamental

     

    Pour ce faire, il convient de se rapprocher du noyau de l'atome et de préciser notre point de vue concernant le niveau fondamental d'énergie des atomes c'est-à-dire l'orbite la plus près du noyau. L'énergie de l'électron y est minimum, proche de zéro. C'est donc près du noyau que les phénomènes dus au spin prennent toute leur importance.

     

    Pour connaître, au plus proche du réel, la thèse de la physique des ondes concernant les relations de spin entre les électrons du niveau fondamental et les nucléons, il faut relire nos rubriques N°3 et N°22 où il est question de diamagnétisme parfait et de supraconduction. Relire également la rubrique N°1 (chapitre N°92) qui traite des phénomènes de résistance magnétique nucléaire (RMN) ainsi que la rubrique N°22 qui relie tout cet ensemble à la notion de spin. C'est ainsi, au centre de l'atome que se réalise le lien entre l'énergie, le magnétisme, la structure et les propriétés physiques des éléments. C'est le domaine très particulier de l'électrostatique

     

    Je cite le chapitre N°92 de la rubrique N°1 qui concerne la structure du noyau atomique:

    << un certain nombre d'atomes ne peuvent pas être étudiés en RMN, ce sont ceux dont les nombres de protons et de neutron dans leur noyau sont pairs et égaux. Les nucléons de ces atomes ne peuvent pas être mis en vibration comme les autres. L'explication classique est que leur spin est nul (+1/2 -1/2 = 0). Notre thèse propose une explication plus réaliste qui concerne la stabilité du noyau. Pour ces éléments dont le numéro atomique est pair, la stabilité de leur noyau est telle qu'ils ne peuvent être ''ébranlés'', ni par un champ magnétique extérieur, ni par les ondes radio qui leurs sont appliqués en résonance par la technique de la RMN. >>

     

    De même le chapitre N°21 de la rubrique N°3 traite des matériaux diamagnétiques :

    La propriété interne aux atomes des matériaux diamagnétiques qui est mis en évidence par la plupart des sites consultés est que leurs électrons sont placés sur des couches et des sous-couches électroniques ''pleines'' dans leur état fondamental (état de plus basse énergie des électrons).

    Je cite un très bon article du site ''astronoo.com'':

    http://www.astronoo.com/fr/articles/magnetisme-et-moment-magnetique.html

    << Lorsqu'on remplit complètement les couches atomiques, alors les orbitales ont autant d'électrons de spin +1/2 que d'électrons de spin −1/2 et il n'y a pas de magnétisme, globalement les moments magnétiques s'annulent. >>

      

    Dans le langage de notre thèse, cela signifie qu'autour du noyau il y a un équilibre magnétique entre électrons et positrons d'une part, et entre les ''particules électroniques'' et le noyau de l'atome d'autre part. Chacun des atomes d'un élément diamagnétique tend donc à s'opposer à un champ magnétique extérieur auquel il se trouve soumis. On ne vient pas troubler facilement l'existence d'un atome stable énergiquement et dont la STRUCTURE est capable de résister à une agression extérieure.

     

    La susceptibilité magnétique d'un matériau caractérise toutes ses propriétés mais particulièrement celles qui concernent l'électromagnétisme, c'est-à-dire la conduction de l'énergie et les relations magnétiques de spin intra et extra atomiques. Cette attirance ou répulsion magnétique de particules ou de corpuscules peut, dans une comparaison osée, faire penser à nos relations humaines. Mais il faut étudier d'une part les relations entre célibataires et les relations de couple, d'autre part celles qui existent dans des sociétés communicantes et dans des sociétés repliées sur elles-mêmes.

     

    Les électrons célibataires en mouvement dans l'atome conservent leur individualité électrique et magnétique dans l'atome. S'ils reçoivent une énergie suffisante et si le fossé des couches valence-conduction est quantique, ils peuvent être amenés à circuler comme particule électromagnétique dans un conducteur. L'électromagnétisme est, depuis Ampère et le développement extraordinaire de l'utilisation du courant électrique, un des plus larges domaines de la physique expérimentale.

     

    Tous ces électrons en mouvement orbital dans l'atome possèdent un moment magnétique qui est en rapport de constante avec leur moment cinétique. Nous avons vu qu'il s'agit du rapport gyromagnétique (mu) dont la valeur est la suivante exprimée en coulomb par kilogramme pour un électron de charge élémentaire (-e) et de masse élémentaire (m) :

    De la spintronique à la structure de la matière

    Pour un électron en mouvement, ce rapport caractérise pour nous le ''couplage spin orbite'' entre l'onde énergétique de l'électron et son onde de structure (c'est la même qui tourne). C'est en utilisant la possibilité de ce couplage électronique que l'on peut arriver à refroidir les atomes. Relire à ce sujet la rubrique N°11 ''Le laser atomique. L'atome froid'' qui traite de ce sujet.

     

    Pour un électron célibataire en repos sur son orbite fondamentale, son moment énergétique est en relation avec le quantum de mouvement de Planck. Son moment magnétique correspondant a été découvert en 1911 par le physicien roumain Ștefan Procopiu et nommé ''magnéton de Bohr''. C'est une constante de proportionnalité (muB) qui représente un quantum de flux magnétique pour l'électron et qui correspond au plus petit moment magnétique associé à cette particule. Cette constante s'écrit :

     

     De la spintronique à la structure de la matière

                       q est la charge élémentaire,            h barre est la constante de Planck réduite,

                      me est la masse de l'électron,                            

     Sa valeur est dans le Système international d'unités :

    (muB) = 9,274 009 49(80) × 10−24 J T−1  = 5,788 381 755 5(79) × 10−5 eV T−1

     

    Les électrons célibataires des couches fondamentales sont en repos énergétique, avec spin (disque tournant) mais non polarisé. Si leur noyau atomique a une structure diamagnétique et s'il est soumis à un champ magnétique extérieur, ce noyau réagit en ''expulsant'' le champ. Le résultat est le réveil progressif des orbites fondamentales dont les électrons se polarisent et se couplent (paires de Cooper) et peuvent même former en couple des corpuscules plus importants qui ne sont pas polarisés. Ces couples, libérés de leurs atomes, sont les éléments de matière non magnétisés qui circulent librement, sans pertes par frottement dans les supraconducteurs. Relire la rubrique précédente N°22 ''De la supraconduction à la spintronique'' qui présente l'étude de la supraconduction par la physique des ondes.

      

    44) De l'électrostatique à la structure atomique

     

    Nous voyons donc que, même au repos énergétique, les électrons des couches électroniques fondamentales jouent un rôle important grâce à leur spin. Suivant la susceptibilité magnétique du noyau central, ils laissent passer ou ils contribuent à repousser les champs magnétiques extérieurs. Nous venons de voir leur rôle de transfert de spin (passage d'une polarité à une autre) qui permet leur accouplement. Les rubriques N° 11, 21, 22 montrent le résultat de cet accouplement des électrons [(électrons (-), positron (+)] et des paires de nucléons qui permettent la supraconduction, la lévitation et toutes les possibilités offertes par le refroidissement des atomes et par la maîtrise des spins.

     

    L'expérimentation du domaine magnétique interne à l'atome permet de rendre celui-ci communicant ou replié sur lui même. Il est maintenant possible, par mise en résonance, de manipuler les spins nucléaires et électroniques pour obtenir une modification des propriétés physiques et chimiques de certains matériaux. C'est tout le domaine de l'électrostatique atomique qui semblait,, jusqu'à récemment, de moindre intérêt pour les scientifiques (et pour les états bailleurs de fonds). Cependant ce nouveau domaine d'étude baptisé spintronique est à la source d'énormes possibilités d'amélioration dans le contrôle électronique et le traitement de l'information. Mais pas que cela. Il ouvre aussi, je pense, des possibilités considérables en manipulation des structures de la matière, pour le meilleur et aussi pour le pire. Il vaut mieux le savoir à l'avance.

     

    5) LE DEVELOPPEMENT DE LA SPINTRONIQUE

     

    Au chapitre précédent N°35, nous avons, aux alentours de 1930, vu la théorie quantique des champs transformer le spin réel des électrons en fonction mathématique. Cette métamorphose posait cependant de réelles questions aux manipulateurs expérimentant sur le magnétisme des matériaux. Ainsi l'influence réelle du spin sur la mobilité des électrons des matériaux ferromagnétiques (interaction spin orbite) a été suggérée par Nevill Mott en 1936. Il a mis au point un ''détecteur'' qui est un filtre à spin et qui permet de séparer les électrons qui viennent de l’extérieur selon l'orientation de leur spin. Cette interaction magnétique est due au couplage du moment magnétique élémentaire de l’électron associé à son spin avec le champ magnétique qu’il ressent sur sa trajectoire. Le détecteur de Mott, encore utilisé, a cependant l'inconvénient d'être encombrant et d'exiger des courants à tension élevée.

     

    L'utilisation du spin de l'électron s'est concrétisée en 1988, de par son rôle dans le réglage et la commande des circuits électroniques. Son intérêt s'est révélé très important lors de la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) par les équipes d’Albert Fert en France et de Peter Grünberg en Allemagne, (prix Nobel de Physique 2007). Cette propriété concerne des matériaux composés de films minces formant des multicouches alternant matériaux ferromagnétique et non magnétique. Elle est basée sur la variation très importante de la résistance électrique en fonction des directions d’aimantation respectives.

     

    Nous avons vu dans la rubrique précédente N°22 le rôle joué dans la supraconduction par les matériaux de transition configurés en films minces obtenus par épitaxie. Ce sont ces mêmes matériaux complexes qui sont utilisés dans les applications de la GMR pour réaliser par exemple des capteurs de champ magnétique constituant un nouveau type de tête de lecture dans les disques durs d'ordinateurs. Le premier dispositif utilisant la magnétorésistance géante a été commercialisé par IBM en décembre 1997. Depuis cette date leur développement a été fulgurant car les mémoires de ce type constituent les pièces centrales de nos ordinateurs et de tous nos appareils numériques. Voici, tiré de Wikipédia, un bref aperçu des applications de la GMR :

      

    << Depuis 1999 environ, les recherches portent sur l'emploi de nanofils organisés en multicouches, mais également sur l'emploi de nombreux types de matériaux nanostructurés (agrégats, nanoparticules piégées dans des substrats diélectriques, etc.). La magnétorésistance géante par spin-valve est celle qui présente le plus d'intérêt industriel et commercial. C'est la configuration utilisée dans les têtes de lecture des disques durs des ordinateurs. La mémoire vive dynamique (DRAM) est un type de mémoire vive compacte et peu dispendieuse. >>

     

    << Le phénomène de magnétorésistance géante est très utilisé dans les têtes de lecture GMR des disques durs modernes. Les mémoires magnétiques non volatiles (MRAM) en sont une autre application. Cette technologie est très prometteuse pour remplacer un certain nombre de disques durs sous la forme de SSD (solid-state drive). Ce sont des matériels informatiques permettant le stockage de données sur de la mémoire flash. Cette dernière est une mémoire de masse à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension. >>

     

    << Ainsi, la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l'alimentation électrique est coupée. De plus, ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs.>>

     

    << Le terme anglais solid-state signifie que ce matériel est constitué de mémoires à semi-conducteurs à l'état solide, par opposition à la technologie plus ancienne des disques durs sur lesquels les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide. La vitesse élevée de la mémoire flash, sa durée de vie et sa faible consommation (qui est même nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses applications : appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d'enregistrement sonore comme les baladeurs numériques, clés USB etc. >> Wikipédia

     

    Le site de Wikipédia suivant donne des informations très intéressantes sur le développement actuel des mémoires magnétiques.

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Solid-state_drive

     

    Le ''Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502 Université Paris SUD à Orsay'' possède également sur internet un nombre important de sites traitant des applications de la spintronique. Je cite ci-dessous un extrait tiré de : https://www.lps.u-psud.fr/spip.php?article2487

     

    << Dans de nombreux dispositifs électroniques, comme les portables ou les ordinateurs, les informations peuvent être stockées dans des ensembles de nano-aimants qui forment la mémoire vive (Magnetic Random Access Memory, MRAM). Dans ce type de mémoire vive, les états 0 et 1 (les bits) correspondent à deux directions d’aimantation opposées des nano-aimants. Pour retourner l’aimantation, on utilise le plus souvent des petits champs magnétiques. Depuis plus récemment, on sait également manipuler l’aimantation avec des courants électriques (STT-MRAM). Le principe de fonctionnement est le suivant : quand un courant électrique circule dans un matériau magnétique, ce dernier force l’alignement (appelé spin) de l’aimantation des électrons qui portent le courant électrique. On dit alors que les électrons sont polarisés en spin. L’injection d’électrons polarisés en spin dans un matériau d’aimantation opposée peut forcer le retournement de l’aimantation. Ce mécanisme (dit de couple de transfert de spin, STT Spin Transfer Torque en anglais) n’est pas très bien compris et fait l’objet de nombreuses recherches de physique fondamentale >>

     

    La physique des ondes peut-elle contribuer à aider les chercheurs ??

     

    6) AVENIR DE LA SPINTRONIQUE ET CONCLUSION

     

    Pour tenter de faire le point actuel sur la spintronique, j'ai consulté les sites internet qui traitent de ce sujet. Ils datent de la première décennie de ce siècle et il est probables qu'ils se trouvent dépassés par les recherches actuelles. Ce sont essentiellement des articles de journalistes interprétant, en les mettant en valeur, des ''découvertes scientifiques''. Ces sites présentent les avancées de la spintronique essentiellement dans trois directions qui sont en fait liées :

     

    1) La recherche de matériaux adéquats et leur assemblage permettant l'utilisation des phénomènes de spin de l'électron.

    2) La miniaturisation des matériels électroniques rendue possible par le fait d'utiliser les phénomènes à l'échelle quantique (celle des électrons).

    3) La transformation du traitement de l'information grâce à l'utilisation de la polarité du spin de l'électron. La commande de cette polarité faite par un champ magnétique extérieur qui permet d'utiliser l'électron comme une diode, une vanne, un transporteur magnétique.

     

    Dans notre conclusion nous tenons à élargir cette vision de la spintronique car nous pensons que la physique des ondes permet de concevoir pour cette technique un rôle bien plus important. Notre électron, onde double qui relie en lui-même la structure et l'énergie, a la possibilité de réaliser ce couplage spin-orbite dont nous avons parlé. Le rapport gyromagnétique vu précédemment est l'expression de ce couplage. Il exprime une réalité. Cela veut dire que le spin n'est pas un artifice mathématique ni un ''mystère quantique'' ni une abstraction comme la masse et la charge. L'onde de structure de l'électron ''spin'' réellement à sa fréquence de rotation, c'est la même onde que son onde énergétique (onde de type lumière) dont la fréquence est en rapport du niveau de son orbite. Pour mieux imaginer la forme et la constitution de cet électron, je vous recommande de vous reporter à la rubrique N° 14 ''structure et énergie de l'électron'', chapitre N°2. Vous y trouvez une représentation d'un électron au repos (en forme de disque) extraite du site de Gabriel Lafrenière.

     

    La conception que nous proposons pour l'électron montre que, par une action coordonnée entre le niveau énergétique et le magnétisme de l'électron, il est possible de conduire des recherches et de mener des actions dans des domaines beaucoup plus vastes que celui du traitement de l'information. Nous avons vu un exemple de ces possibilités dans la rubrique N°11 ''Le laser atomique, l'atome froid''. Nous y étudions dans le détail le procédé utilisé par Yannick Bidel dans sa thèse intitulée ''Piégeage et refroidissement laser du strontium... '' pour obtenir des atomes froids. Il se sert d'un piège laser dans lequel il amène un maximum d'atomes refroidis par une action coordonnée sur leurs électrons. Leur refroidissement se fait par mise en résonance laser aux bons niveaux d'énergie et par une mise en résonance magnétique électronique progressive et coordonnée dans un refroidisseur de type Zeeman.

     

    Nous avons montré une autre application de couplage spin-orbite dans la rubrique précédente N°22 pour l'obtention de supraconducteurs. Là encore, cela concerne des électrons de faible énergie extraits de la zone des orbites fondamentales, donc à très basse température. Des actions de couplage spin-orbite réalisées directement sur des électrons libres dont l'énergie atteint celle des rayons X seraient-elles possibles ? Pourrait-on agir également sur la polarité de ces électrons et réaliser, directement à ce stade, des paires d'électrons supraconductrices ? Pour le savoir, il faut accepter d'étudier notre hypothèse d'électron onde double, ce qui n'est pas évident pour un scientifique raisonnable.

     

    Est encore moins raisonnable, notre hypothèse concernant les nucléons des noyaux atomiques avec ses brochettes d'électrons et de positrons en forme de disques d'ondes énergétiques en mouvement minimum mais qui possèdent chacune son spin polarisé.   ( Deuxième image de Gabriel Lafrenière).

     

    On peut se poser, pour ces brochettes d'électrons, la même question que pour les électrons libres précédents. Nous savons qu'il est possible d'agir sur les noyaux atomiques par résonance magnétique nucléaire (RMN). Ce procédé associe une imagerie par ordinateur à la spectroscopie RMN. Grâce à la microscopie à force atomique (AFM), cette technique fournit une excellente analyse des molécules. Elle est actuellement irremplaçable en imagerie médicale pour l'étude des tissus mous (le cerveau), car elle fournit des images très contrastées, sans irradiation dangereuse et sans effets secondaires. Notre rubrique N°1 ''Les ondes de structure de la matière'' chapitre N°92 en explique le principe qui est fondé également sur l'action d'un champ magnétique sur le noyau de l'atome. Rappelons que ce champ est repoussé dans le cas où le nombre de nucléons est pair. Dans ce cas il ne peut y avoir ''d'ébranlement'' du noyau à cause de sa stabilité et de la non polarité de sa structure globale.

     

    Le noyau de l'atome d'hydrogène étant parfaitement accessible à la (RMN) et parfaitement polarisé en positif puisque c'est un seul proton, je repose la question précédente qui concernait la manipulation des électrons par couplage spin-orbite : Pourrait-on par ce même moyen arriver à fusionner à froid des atomes d'un isotope de l'hydrogène comme nous l'avions déjà suggéré au chapitre N°323 de la rubrique N°21 ''Pour une gestion de l'énergie dans notre écosystème'' ?

     

    Les divers éléments rassemblés dans cette rubrique et présentés dans l'optique de la physique des ondes, nous donnent un aperçu du considérable développement possible de la spintronique dans l'utilisation des phénomènes magnétiques internes à l'atome. Il est question, suivant la physique des ondes, du rôle de l'onde de structure des électrons dont la puissance se manifeste spécialement en interne du noyau des atomes (d'après nos hypothèses). En effet, c'est bien en se rapprochant de ce noyau, dans les nivaux électroniques fondamentaux, que se sont révélés les phénomènes obligeants à prendre au sérieux, (et en réel) le spin des électrons.

     

    La recherche, en physique a longtemps été attirée uniquement par la puissance énergétique, par celle de l'énergie électromagnétique d'une part, par la force forte tirée de l'atome d'autre part. Le rôle du magnétisme a longtemps été négligé, même méprisé, car incompris entre particules. Il était qualifié ''d'effets'' divers, voir de ''quantique'' pour éviter les explications. Les historiques précédents tirés depuis 1925 montrent l'évolution des préoccupations des industriels, des besoins et des subventions des états. La miniaturisation de l'électronique, de l'appareillage et des matériaux a permis le développement de la nouvelle nanotechnologie, la spintronique est dans la continuité.

     

    L'électron, particule élémentaire, qui est LA véritable onde électrique et magnétique (électromagnétique) est au bout de cette route (il en est plus exactement à l'origine). La structure du noyau atomique fait partie de ce chemin si l'on accepte notre hypothèse concernant la composition des nucléons. Le domaine ouvert par cette technologie est considérable puisqu'il concerne la structure physique et chimique de toute la matière, minérale et vivante. Ce dernier aspect devrait attirer l'attention sur l'importance de cette technologie pour le meilleur mais surtout pour le danger du pire. C'est pourquoi je le répète dans cette conclusion.