Le verre semble former un nouvel état mystérieux de la matière – et cela a mis les scientifiques en ébullition

Un débat vieux de 30 ans vient d’être relancé par un physicien qui semble avoir trouvé un nouvel état mystérieux de la matière dans un morceau de verre ordinaire.

Pendant des décennies, cette transition de phase inexpliquée a été recherchée dans des matériaux réels, et maintenant que nous en avons la preuve, les scientifiques du monde entier tentent de comprendre ce qu’elle pourrait signifier pour toutes sortes de systèmes désordonnés dans l’Univers, des liquides et des gaz aux grains et aux galaxies.

La découverte, menée par le physicien Sho Yaida de l’université de Duke, pourrait faire passer l’étrange nouvel état de la matière du domaine hypothétique des dimensions infinies à la réalité.

Cette découverte a suscité un vif intérêt dans la communauté des physiciens.

“Nous avons trouvé des indices de la transition dont nous n’osions pas dire qu’il s’agissait de preuves, car une partie de la communauté disait que cela ne pouvait pas exister”, explique l’un des membres de l’équipe, Patrick Charbonneau.

“Ce que Sho montre, c’est que ça peut exister”

Le mystère repose sur le fait que si vous zoomez dans un cristal pour voir sa structure sous-jacente, vous trouverez un réseau d’atomes parfaitement ordonné et symétrique. Mais si vous regardez dans un morceau de verre ordinaire, vous ne trouverez que du chaos.

Cela rend l’étude du verre, et d’autres matériaux qui présentent un manque similaire d’ordre atomique, incroyablement difficile, car il n’existe actuellement aucune théorie établie pour expliquer leur comportement en réponse à des facteurs tels que la chaleur ou la rupture.

Lorsque Yaida et son équipe ont étudié ce désordre aléatoire au sein d’un morceau de verre ordinaire, ils ont réalisé que sa structure interne était encore plus étrange que nous ne l’imaginions – il semble que le matériau subisse une étrange transition de phase à basse température qui donne naissance à un nouvel état de la matière.

D’après leurs calculs, ce nouvel état pourrait influencer la façon dont le matériau réagit à des éléments tels que la chaleur et le son, et comment et quand il se brise sous la pression.

Cette phase, connue sous le nom de rupture de symétrie par réplique, a déjà été démontrée dans des systèmes hypothétiques à plus de six dimensions, ce qui n’a jamais été observé dans notre Univers.

Mais cette fois, les chercheurs de Duke ont montré qu’elle pouvait se produire dans des objets très réels ne possédant que trois dimensions spatiales.

“Je savais que cela pouvait causer des problèmes”, a déclaré M. Charbonneau à Ryan F. Mandelbaum de Gizmodo.

“Je ne savais pas dans quelle mesure. Je connaissais la réputation du problème mais je ne connaissais pas les personnalités. Je ne savais pas qui allait être heureux, qui allait être convaincu, et qui allait repousser.”

Sur la base de leurs calculs, l’équipe a constaté qu’il y avait un point dans le verre à basse température où les atomes s’arrangent dans plusieurs configurations différentes sur toute la structure du matériau.

En d’autres termes, il ne s’agit pas d’un seul arrangement chaotique – la rupture de symétrie de la réplique crée tout un tas de motifs aléatoires.

Et pour la première fois, Yaida a pu trouver un “point fixe” en trois dimensions dans ses calculs – une condition préalable essentielle à l’existence d’une transition de phase.

Ci-dessous, vous pouvez voir des calculs antérieurs (à gauche), qui n’avaient pas réussi à trouver un point fixe en trois dimensions, et les calculs de Yaida à droite, qui ont trouvé le point fixe où les lignes se chevauchent :

Sho Yaida

“Des moments comme ceux-ci sont la raison pour laquelle je fais de la science”, déclare-t-il dans un communiqué de presse.

“Ce n’est qu’un point, mais cela signifie beaucoup pour les gens dans ce domaine. Cela montre que cette chose exotique que les gens ont trouvée dans les années 70 et 80 a bien une pertinence physique dans ce monde tridimensionnel.”

Mais tout le monde n’est pas convaincu. Le physicien britannique Michael Moore, de l’université de Manchester, a recherché cette transition de phase dans un système différent, appelé verre de spin, et estime que la preuve fournie par l’équipe de Duke n’est pas suffisante.

“Je ne pense pas que l’article soit faux. Il est juste très spéculatif”, a-t-il déclaré à Gizmodo. “Je ne prétendrai pas non plus que la nôtre est rigoureuse. Mais cela indique qu’il est peu probable que leur scénario soit correct.”

La physicienne M. Lisa Manning, de l’université de Syracuse, a émis des objections similaires à l’idée que les calculs soient considérés comme complets dans leur état actuel, mais elle pense que Yaida et son équipe sont sur la bonne voie.

Le véritable test sera de savoir si les chercheurs peuvent utiliser leurs prédictions pour partir à la recherche de ce nouvel état de la matière. S’ils y parviennent, nous aurons plus que des mathématiques pour démontrer la bizarrerie atomique à laquelle donne lieu le verre refroidi, et les nouvelles applications qui pourraient en découler.

“Le fait que cette transition puisse réellement exister en trois dimensions signifie que nous pouvons commencer à la rechercher sérieusement”, explique M. Charbonneau dans un communiqué de presse

“Elle affecte la façon dont le son se propage, la quantité de chaleur qui peut être absorbée, le transport de l’information à travers elle. Et si vous commencez à cisailler le verre, comment il va céder, comment il va se briser.”

Les travaux de recherche ont été publiés dans Physical Review Letters.