électron

(anglais electron, de electric et anion)

Consulter aussi dans le dictionnaire : électron
Cet article fait partie du dossier consacré à la matière.
Particule fondamentale portant l'unité naturelle de charge électrique et appartenant à la classe des leptons.

Structure de l'atome
Pour la physique, l'électron est l'objet théorique par excellence. C'est à son propos qu'ont été élaborées la plupart des théories importantes du xxe s., à commencer par la physique quantique. La physique atomique et moléculaire est essentiellement une physique des électrons. La chimie étudie la formation et la transformation des molécules, c'est-à-dire les transferts d'électrons d'un atome à un autre. La physique de l'état solide s'intéresse à la cohésion de la matière, assurée par les électrons. Plusieurs technologies ont spécifiquement l'électron pour matériau : électronique, informatique, applications médicales des faisceaux d'électrons, etc.
L'électron est l'un des plus importants constituants universels de la matière, dont toutes les propriétés macroscopiques sont, d'une façon ou d'une autre, liées à ses caractéristiques.
*         Fiche d'identité de l'électron
*         • masse : me = 9,1093897 × 10−31 kg ;
*         • charge électrique élémentaire : e = −1,60217733 × 10−19 C ;
*         • spin : ½ ;
*         • moment magnétique : 0,92740155 × 10−23 A·m2.
*         Son antiparticule est le positron : également appelé positon, il est de même masse que l’électron mais de charge opposée.
*
1. LA DÉCOUVERTE DE L'ÉLECTRON

L'étude de l'électrolyse apporta la première preuve expérimentale de l'hypothèse l’existence de grains matériels composant le « fluide électrique ». Diverses mesures effectuées vers les années 1880 montrèrent que la quantité d'électricité nécessaire pour dissocier une mole de n'importe quel corps est un multiple entier d'une même quantité. Le mot « électron » fut inventé en 1891 par l’Irlandais George Stoney pour désigner d'abord la quantité élémentaire d'électricité, puis la particule porteuse de cette quantité elle-même.
Pour en savoir plus, voir l'article électricité.

L'étude des décharges électriques dans des gaz raréfiés (à basse pression) imposa définitivement l'existence de l'électron. Celles-ci s'accompagnent de l'émission de « rayons » (les rayons cathodiques) qui rendent fluorescent le verre de l'ampoule. Jean Perrin en 1895 puis Joseph John Thomson en 1897 réussirent à isoler ces rayons et à montrer, d'abord, qu'ils étaient porteurs d'une charge négative, puis qu'ils étaient effectivement constitués de particules matérielles chargées, dont Thomson mesura la vitesse et le rapport ee /me de leur charge e à leur masse me. Quant à la détermination de la charge élémentaire e elle-même, ce fut l'œuvre des vingt années qui suivirent ; en 1910, Robert Millikan, au terme d'une expérience particulièrement délicate, établit la valeur de e avec une précision extraordinaire pour l'époque.

2. L’ÉLECTRON, CONSTITUANT FONDAMENTAL DE L’ATOME

L'idée d'une structure complexe de l'atome était tellement révolutionnaire au début du xxe s. que, pour l'imaginer, on fit appel à des « modèles classiques » de la physique. Une fois les caractères des ions positifs et de l'électron maîtrisés, la question de leur coexistence dans l'atome intrigua les physiciens.

2.1. LES PREMIÈRES TENTATIVES DE MODÉLISATION DE L'ATOME
Comme il n'était pas possible d'observer la structure atomique, il fallait concevoir un « modèle » qui permît de comprendre des phénomènes physiques que l'on pensait être corrélés à une telle structure. Pour Hantaro Nagaoka (1904), le critère principal, emprunté aux phénomènes chimiques, devait expliquer la formation des molécules à partir des atomes. Il imaginait l'atome comme une structure stable, semblable à la planète Saturne : il plaçait les électrons sur les anneaux et assimilait la planète au noyau. Tout en acceptant que le critère de comparaison devait être fourni par la chimie, J. J. Thomson pensait, au contraire, que les électrons circulaient à l'intérieur d'une sphère dont la surface était chargée positivement.

Ce modèle n'était plus viable dès qu'on prenait en compte un autre phénomène : la diffusion des particules α, émises par désintégration radioactive du polonium, à travers une feuille de platine, qu'Ernest Rutherford avait observée, laissait penser que la charge atomique positive était concentrée en un point car quelques particules α étaient fortement déviées. Pour que les résultats expérimentaux soient compatibles avec le modèle planétaire, il fallait considérer que la charge positive était concentrée au centre de l'atome. Vers 1911, ce modèle semble satisfaire et la chimie et la physique, même s'il est toujours impossible de montrer sa compatibilité avec l'ensemble des lois de cette dernière. L'atome ressemble au Système solaire : le noyau positif est au centre, et les électrons se déplacent sur des orbites à l'extérieur du noyau. Cependant, les électrons, en tournant, doivent émettre de l'énergie. Selon un tel modèle, encore grossier, ils s'approcheraient du noyau jusqu'à être détruits par combinaison des charges positive et négative, rendant l'atome fortement instable. Après une dizaine d'années de recherches, malgré cette objection de fond, des certitudes étaient partagées par les chercheurs : la concentration de la masse et de la charge positive dans le noyau, les électrons étant situés à l'extérieur du noyau ; autre certitude : la stabilité du modèle supposé, dit de Rutherford. Mais, pour comprendre la structure de l'atome, il fallait une clé supplémentaire.

2.2. STRUCTURE ATOMIQUE ET SPECTROSCOPIE

Spectres d'absorption et d'émission
Ce fut la grande intuition du Danois Niels Bohr que de corréler, en 1913, la structure des atomes avec leurs spectres. Un spectre est l'enregistrement de l'énergie absorbée ou émise par les atomes. Bien que différents pour chaque élément, les spectres ont un aspect semblable : des lignes espacées différemment entre elles, correspondant aux valeurs d'énergie absorbée ou émise. Cette structure régulière se prête bien à la traduction en formules du type « la différence d'énergie entre deux lignes est égale à un multiple entier d'une même quantité ». Or une nouvelle conception s'affirmait en physique depuis le début du siècle : l'énergie est aussi concevable comme constituée de petits grains, unités appelées au début « quanta de lumière » (Einstein, 1905), et depuis 1924 « photons ».
L'énergie des spectres correspondait-elle également à des multiples entiers du quantum ? Pouvait-on corréler l'absorption ou l'émission d'énergie avec le déplacement des électrons à l'intérieur des atomes ? Y parvenir pouvait permettre d'évaluer l'énergie correspondant à un électron dans un atome. Le modèle de l'atome calqué sur la structure planétaire paraissait donc se préciser : les électrons évoluent, de manière stable, sur des orbites qui sont les seules positions possibles. Un électron peut passer d'une orbite à une autre par absorption ou émission d'énergie, cette énergie étant toujours un multiple entier du quantum.
Pour calculer les différentes orbites possibles, on fit appel aux théorèmes de la mécanique. On imagina ainsi des orbites elliptiques ; celles-ci pouvaient être inclinées différemment par rapport à un axe. Il était dès lors possible de distinguer les électrons en leur attribuant des paramètres : les deux premiers correspondaient aux deux axes de l'ellipse et le troisième, à l'inclinaison par rapport à l'axe perpendiculaire à la première orbite et passant par le noyau. Cette construction avait été rendue possible par la confrontation entre données spectroscopiques et déductions théoriques à partir des modèles mécaniques. Cette méthodologie allait pourtant achopper bientôt sur une difficulté majeure.

2.3. LE MODÈLE QUANTIQUE DE L’ÉLECTRON

La diversité des éléments chimiques, dans le cadre du modèle des atomes planétaires, était expliquée par le fait que chaque élément est caractérisé par un nombre donné d'électrons (correspondant au numéro atomique), ceux-ci se disposant sur les orbites possibles du point de vue énergétique. Ainsi, chaque électron a d'abord été caractérisé par trois nombres entiers, dits nombres quantiques, obtenus par l'étude géométrique des orbites. On établissait aussi de cette manière l'interdépendance de ces nombres entre eux.
Le premier, le nombre quantique principal, généralement indiqué par n, est relié au niveau énergétique et indique l'axe principal de l'ellipse ; le deuxième, le nombre quantique azimutal, indiqué par l, peut assumer les valeurs 0 à (n − 1), et indique l'excentricité de l'orbite ; le troisième, le nombre quantique magnétique, indiqué par m, peut avoir les valeurs de −l à +l et représente l'inclinaison spatiale de l'orbite.
Or Wolfgang Pauli, à partir d'une analyse pointilleuse des données spectroscopiques, montra en 1924-1925 que la seule manière d'établir une correspondance entre l'ensemble des lignes observées pour un atome et les nombres quantiques était d'ajouter un quatrième nombre quantique (le spin s) en lui imposant uniquement deux valeurs : +1/2 ou −1/2. Certes, peu de temps après, George E. Uhlenbeck et Samuel A. Goudsmit réussirent à montrer, pour l'hydrogène, que ce nombre supplémentaire pouvait correspondre au moment cinétique propre de rotation de l'électron, appelé spin. Cette représentation mécanique constitue le dernier effort pour rester dans le cadre des anciens modèles. En effet, face à la multiplicité des modèles et en l'absence de critères physiques pour les départager, les physiciens furent convaincus que la structure des atomes allait devoir être repensée entièrement.

2.4. LE MODÈLE ONDULATOIRE DE L’ÉLECTRON
Deux voies furent suivies en même temps : des chercheurs, abandonnant l'image trop réaliste du modèle planétaire, raisonnèrent sur les seules grandeurs observables et mesurables, d'origine mécanique comme la position et la quantité de mouvement ; d'autres mirent l'accent sur la nature ondulatoire de l'électron.

2.4.1. L’ÉLECTRON SELON LOUIS DE BROGLIE

En 1924, Louis de Broglie montrait que les propriétés corpusculaires des électrons ont une contrepartie ondulatoire avec, comme relation fondamentale, la longueur d'onde λ = h /p, où h est la constante de Planck et p la quantité de mouvement de l'électron. On savait depuis les travaux de Hamilton, au milieu du xixe s., qu'un ensemble de corpuscules pouvait être représenté, mathématiquement, comme une onde. Cependant, s'agissait-il d'une pure possibilité mathématique ou d'une réelle capacité de l'électron à produire des phénomènes typiques de la théorie ondulatoire ? L'un de ceux-ci, le plus caractéristique même, correspond aux figures de diffraction. Ainsi, les expériences de Davisson et Germer, qui enregistrèrent en 1927 la figure de diffraction d'un faisceau d'électrons sur un mince cristal de zinc, furent considérées comme la preuve irréfutable de la double nature de l'électron : ondulatoire et corpusculaire.
L'électron présentait alors une analogie parfaite avec la lumière, qui peut être définie comme composée de photons, de spin nul, et comme une onde. Seule la valeur du spin – entier pour le photon et demi-entier pour l'électron – les départage ; ainsi, la réalité corpusculaire subatomique a comme grandeur typique le spin.
Cette conception de l'électron comme onde eut des prolongements techniques extrêmement importants. Par analogie avec le microscope optique, il a été possible de concevoir un microscope électronique (mettant en œuvre une source d'électrons, un réseau de diffraction, un système d'enregistrement – plaque photographique ou écran fluorescent – sur lequel est enregistré l'objet agrandi) dont la capacité d'agrandissement dépasse les 100 000 fois.

2.4.2. L’ÉLECTRON SELON ERWIN SCHRÖDINGER

Erwin Schrödinger décrivit l'électron comme une suite de fonctions ondulatoires. De plus, il obtenait les mêmes valeurs de l'énergie que celles que l'on calculait avec le modèle corpusculaire. Enfin, il était possible de passer de l'une à l'autre description car, du point de vue mathématique, elles sont équivalentes.
De ce fait, les physiciens se trouvaient confrontés à un problème supplémentaire : faut-il penser qu'à chaque corpuscule est étroitement associée une onde, ou que les descriptions ondulatoire et corpusculaire sont deux manières, complémentaires, de décrire une même réalité qui nous échappe ? Pour résumer, fallait-il accentuer l'analogie de ce problème avec ceux qui se posent dans d'autres domaines de la physique, comme l'optique ou l'acoustique, où cohabitent plusieurs points de vue, ou tenir ces résultats pour provisoires, en attendant une nouvelle théorie qui éliminerait le caractère de complémentarité associé à la nécessité de faire appel à deux visions ? Le débat est encore ouvert en physique, et pour l'instant il n'existe pas de théorie de remplacement.
La seule certitude des physiciens est que l'électron se situe à l'intérieur de l'atome, et qu'on ne peut indiquer que sa probabilité de présence dans ce confinement. Pour connaître la position de l'électron, il faut expérimenter ; or toute expérience perturbe le système de telle sorte qu'on ne sait plus où se situe l'électron après l'expérience. De plus, certaines grandeurs physiques mesurables sont liées entre elles de telle façon que, si l'on augmente la précision de la mesure de l'une, on réduit d'autant la précision de l'autre : il y a une indétermination fondamentale dans notre connaissance expérimentale de ces grandeurs. L'étude de l'électron aboutit donc à ces conclusions :
– toute description théorique revient à se donner des probabilités d'événements ;
– l'expérimentation perturbe tout système soumis à mesure ;
– si, au cours d'une même expérience, on veut évaluer en même temps des grandeurs liées, la précision de chaque mesure ne peut pas être arbitrairement élevée : plus on soigne l'un des paramètres, moins on obtient de précision sur l'autre ; la précision est donc toujours limitée.

3. L'ÉLECTRON DANS LES SOLIDES

Qu'apportait cette nouvelle vision à la connaissance des métaux ? D'énormes progrès avaient été réalisés dans la connaissance de leur structure. Les rayons X étant caractérisés par une faible longueur d'onde, la structure atomique d'un métal constitue un réseau naturel de diffraction pour cette « lumière », qui traverse la matière. Ainsi, en observant les réseaux de diffraction, on pouvait, par des calculs numériques extrêmement complexes, parvenir à déterminer la structure atomique. La cristallographie avait déjà habitué les savants à reconnaître dans les cristaux la présence de structures géométriques régulières ; cette connaissance fut étendue aux métaux, qui révèlent à l'échelle atomique une régularité non perceptible au niveau macroscopique. De plus, la diffraction des rayons X permettait d'apprécier la distance entre les lignes du réseau, et donc de mesurer la distance entre atomes. Ces valeurs, confrontées aux dimensions que l'on pouvait calculer à partir des modèles atomiques, montraient que la distance entre atomes d'un métal est telle qu'il faut supposer que les couches électroniques les plus externes sont en contact. La structure d'un métal est donc bien plus compacte qu'on ne l'imaginait. On conclut que les électrons de valence se déplacent dans un champ électrique intense, fort complexe, créé par les noyaux et les autres électrons atomiques. L'hypothèse des électrons libres relevait donc de la fiction. Mais comment oublier que, qualitativement au moins, un accord remarquable existait entre ce modèle et les données de l'expérience ?

3.1. L'APPROCHE CHIMIQUE

La clé de cette énigme va être fournie par la compréhension de la liaison chimique. Les couches électroniques externes étant très proches, au point de se toucher, on suppose qu'il se produit un phénomène analogue à la formation d'une molécule à partir des atomes. L'analogie est presque parfaite : comme les molécules, les atomes gardent leur individualité tout en formant un nouveau composé dont l'action est spécifique ; dans le métal, les atomes gardent aussi leur individualité, et leur assemblage manifeste des caractères physico-chimiques propres.

3.1.1. LES ÉLECTRONS DANS LA LIAISON IONIQUE
La cohésion moléculaire est considérée comme le résultat de l'attraction électrostatique entre ions de charge opposée. C'est le cas de la plupart des sels qui, en solution, se dissocient en ions. En général, ces molécules sont composées d'atomes de structure électronique fort dissemblable – on dit aussi qu'ils sont situés dans les cases extrêmes du tableau de Mendeleïev. L'un d'entre eux tend à se séparer de son ou de ses électrons externes pour atteindre une configuration électronique stable (huit électrons sur la couche externe), l'autre tend à s'annexer le ou les autres électrons, pour la même raison.

3.1.2. LES ÉLECTRONS DANS LA LIAISON COVALENTE
Pour atteindre une configuration électronique stable, les atomes adoptent une solution de compromis : ils mettent en commun les électrons externes. C'est, par exemple, le cas de la liaison entre deux atomes de carbone, courante dans les composés organiques. Il faut l'imaginer comme un nuage électronique entourant les deux noyaux, qui se placent à une distance telle qu'elle correspond à un minimum de l'énergie pour l'ensemble du système.

3.2. ÉLECTRONS ET NUAGE ÉLECTRONIQUE
Transposée au niveau des solides, l'image du nuage électronique implique le partage des électrons entre tous les atomes ; or cette image est fort semblable à l'hypothèse « ancienne » des électrons libres dans un métal, son réalisme naïf en moins. Pour la tester, il fallait faire appel aux méthodes de calcul de la mécanique quantique. Le point crucial est donc de résoudre ce problème du point de vue mathématique : il s'agit d'écrire une équation pour N corps en mouvement, N étant une valeur très grande correspondant aux électrons qui font partie de la liaison. Ce problème est soluble uniquement par des méthodes mathématiques approchées et il faut faire des hypothèses physiques « raisonnables » pour en simplifier la résolution.
L'hypothèse suivante s'est révélée féconde : les électrons gardant leur individualité, on va les considérer isolément. Il s'agit donc d'écrire l'équation du mouvement de l'un d'entre eux en présence d'un champ électrique issu des noyaux disposés selon les nœuds du réseau cristallin, champ auquel font écran les autres électrons. La nature symétrique de ce champ complexe permet d'introduire des simplifications ; il s'agit ensuite de l'évaluer raisonnablement. Si un composé ou un métal est stable, cela veut dire que son énergie est inférieure à la somme de l'énergie des atomes le composant. Transférée sur le plan de la description mathématique, cette idée revient à considérer que les fonctions atomiques qui décrivent l'électron seront sans doute changées, mais pas totalement ; elles peuvent donc constituer un point de départ raisonnable pour résoudre l'équation. Une fois trouvée une première solution, il faut modifier et le champ et les fonctions, puis répéter ce calcul tant que les petits changements apportés ne modifient pas les données importantes que sont les valeurs de l'énergie pour chaque électron dans le métal. Cette longue suite de calculs numériques est aujourd'hui possible grâce aux ordinateurs.

En général, on obtient des solutions du type suivant : les valeurs d'énergie permises au niveau atomique se regroupent dans des ensembles caractérisés par des énergies très proches, qui se confondent en une sorte de zone appelée bande. Ces bandes se distribuent sur une échelle des énergies croissantes ; elles peuvent se recouvrir en partie, ou être séparées par un large gap (écart) d'énergie. Partant de N fonctions atomiques, on obtient N niveaux énergétiques qui se regroupent en bandes. Comme dans la liaison chimique, l'occupation par les électrons des bandes les plus externes devra permettre de comprendre les phénomènes de conduction électrique et thermique. Les électrons s'« empilent » par deux et par fonction, selon le principe de Pauli. On peut alors schématiser ainsi les situations possible  : la bande externe est totalement remplie d'électrons, ou elle l'est partiellement ; la bande immédiatement supérieure, vide d'électrons, recouvre partiellement ou pas du tout la bande dernièrement occupée.

3.3. ÉLECTRONS ET PROPRIÉTÉS DES SOLIDES
Ce simple schéma des situations possibles du point de vue énergétique permet de rendre compte de ce qui paraissait inexplicable dans l'ancienne théorie de l'électron libre. Un électron peut être considéré comme libre d'occuper n'importe quel niveau d'énergie à l'intérieur d'une bande. Si deux bandes se superposent, il peut passer aisément de l'une à l'autre.
Théoriquement, ces mini-sauts demandent toujours une dépense énergétique, mais elle peut être considérée comme suffisamment faible pour que les sauts adviennent. Cette mobilité rend bien compte des propriétés conductrices des solides. Un isolant électrique est un solide où la dernière bande est complètement remplie et la bande vide, immédiatement supérieure, nettement séparée ; pour qu'il y ait mobilité, il faudrait fournir suffisamment d'énergie pour exciter les électrons sur la bande libre. Un bon conducteur présente la configuration inverse : si les deux dernières bandes se recouvrent, il suffit de peu d'énergie pour redistribuer les électrons. Un mauvais conducteur est un solide dont la distance entre la dernière bande remplie et la bande immédiatement supérieure n'est pas très grande : il suffit de peu d'énergie pour le rendre faiblement conducteur. Un tel modèle permet aussi d'expliquer pourquoi la chaleur spécifique des solides, dans les limites de validité de la loi de Dulong et Petit, est une constante. Dans le cas des mauvais conducteurs, la contribution électronique peut être considérée comme nulle ; dans les autres cas, la mobilité électronique est telle qu'elle ne change pas considérablement par l'augmentation de la température dans des limites définies. Dans les deux cas, la contribution des électrons à la chaleur spécifique est négligeable.

L'effet photoélectrique
Cette approche a en outre le mérite de relier aux modes de distribution électronique d'autres faits physiques, comme l'émission thermo-ionique, à l'origine de l'électronique classique, celle à tubes. On sait qu'en chauffant un métal il se produit une émission d'électrons. Cela signifie que ces électrons ont une énergie cinétique telle qu'ils dépassent la barrière représentée par la surface du métal. Ainsi, la surface devient du point de vue physique une discontinuité fondamentale dans le potentiel. Si cette analyse est bonne, on doit pouvoir expliquer, par analogie, l'effet photoélectrique, dans lequel l'énergie est fournie par le rayonnement incident. Ainsi que l'avait déjà observé Einstein, il faut un rayonnement d'une certaine longueur d'onde pour faire s’échapper des électrons d’un matériau. De ce fait, effets thermoélectrique et photoélectrique relèvent de la même explication.
L'électron décrit par les équations de la mécanique quantique perd son image de particule à laquelle sont associées une masse et une charge ; en revanche, il permet de mieux maîtriser et expliquer les phénomènes complexes propres aux solides.


PLAN
*        
    *         1. LA DÉCOUVERTE DE L'ÉLECTRON
    *         2. L’ÉLECTRON, CONSTITUANT FONDAMENTAL DE L’ATOME
        *         2.1. Les premières tentatives de modélisation de l'atome
        *         2.2. Structure atomique et spectroscopie
        *         2.3. Le modèle quantique de l’électron
        *         2.4. Le modèle ondulatoire de l’électron
            *         2.4.1. L’électron selon Louis de Broglie
            *         2.4.2. L’électron selon Erwin Schrödinger
    *         3. L'ÉLECTRON DANS LES SOLIDES
        *         3.1. L'approche chimique
            *         3.1.1. Les électrons dans la liaison ionique
            *         3.1.2. Les électrons dans la liaison covalente
        *         3.2. Électrons et nuage électronique
        *         3.3. Électrons et propriétés des solides
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ion.
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liaison chimique.
Interaction entre atomes différents ou identiques qui conduit à la formation...
Voir plus


Chronologie
*         1821 A. M. Ampère émet l'hypothèse que les molécules des corps sont l'objet de courants de particules que l'aimantation peut diriger, se montrant ainsi un précurseur de la théorie électronique de la matière.
*         1891 L'Irlandais G. J. Stoney nomme « électron » le corpuscule élémentaire d'électricité, dont il a postulé l'existence dès 1874, et tente d'en calculer la charge.
*         1897 Le Britannique J. J. Thomson mesure le rapport de la charge à la masse de l'électron.
*         1911 Mesure de la charge de l'électron par l'Américain R. A. Millikan.
*         1916 Théorie de la liaison chimique (considérée comme un échange d'électrons) de l'Américain G. Lewis et de l'Allemand W. Kossel.
*         1923 L'Américain A. Compton observe la diffusion des rayons X par les électrons des atomes (effet Compton).
*         1925 Les Américains (d'origine néerlandaise) S. A. Goudsmit et G. Uhlenbeck définissent le spin de l'électron.
*         1927 Les Américains C. J. Davisson et L. Germer, d'une part, le Britannique G. P. Thomson, d'autre part, montrent expérimentalement le caractère ondulatoire des électrons.
*         1928 Les Américains G. Lewis et I. Langmuir expliquent la formation des molécules par mise en commun de doublets d'électrons.
*         1961 En Italie, premier anneau de collision pour l'étude des protons et des électrons.

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Repousser la limite de la conductance d’un matériau en contrôlant les interactions entre électrons

vendredi 15 juin 2018

Repousser la limite de la conductance d’un matériau en contrôlant les interactions entre électrons

Jusqu’où peut monter la conductance électrique ? A l’inverse de la résistance, cette quantité mesure la facilité avec laquelle passe le courant. En physique fondamentale, la conductance constitue un outil de caractérisation de tout premier plan. Dans les puces électroniques, augmenter la conductance de pistes permettrait de réduire le chauffage qui limite les performances.

La théorie standard du transport quantique prédit cependant une limite supérieure pour la conductance, même en l’absence de défauts. Cette limite reflète le fait que les électrons traversant un conducteur étroit doivent passer les uns à la suite des autres, avec chacun une extension minimale imposée par la mécanique quantique. Toutefois, lorsque les interactions sont très fortes, on ne peut plus considérer les électrons séparément. On se trouve alors dans un état intermédiaire, entre les électrons libres et la supraconductivité. Cette limite peut alors être dépassée par un effet d’entrainement qui s’apparente à un comportement visqueux du fluide électronique. Ce phénomène vient tout juste d’être mis en évidence dans le graphène, à l’université de Manchester.
Des chercheurs l’ont désormais observé dans un circuit quantique où l’amplitude du dépassement de la limite standard de conductance, ainsi que la gamme de température où il se produit, peuvent être contrôlés in situ. Pour ce faire, les physiciens du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/UPSud/Univ. Paris Diderot), en collaboration avec des théoriciens des universités College-Dublin, Paris-Sud et Paris Diderot, exploitent les corrélations électroniques qui se développent au voisinage d’une transition de phase quantique se produisant à quelques millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu.

Au cœur du circuit quantique se trouve un îlot métallique réglé pour que l’augmentation de sa charge par un électron ne change pas son énergie. C’est fondamental, car ainsi le système ne gèlera dans aucun de ces deux états (avec une charge supplémentaire ou sans charge supplémentaire), même aux plus basses températures. Tandis que dans le cas contraire, le système se figerait dans l’état de plus basse énergie et l’on perdrait ce degré de liberté que constitue l’ajout d’une charge. Or, c’est le couplage de cette charge avec les électrons entrant et sortant de l’îlot par trois petits contacts individuellement ajustables qui génère de fortes corrélations entre ces électrons et l’apparition d’une transition de phase quantique. L’existence même et l’amplitude du dépassement de la limite standard de la conductance est alors contrôlé par le degré de symétrie entre les différents contacts.
Ce travail publié dans la revue Science ouvre un chemin de recherche pour l’électronique basse puissance. Le dispositif implémenté n’a pas d’applications mais constitue un système d’étude modèle. Plus généralement, ce travail s’inscrit dans l’exploration d’une large variété de phénomènes non-conventionnels associés aux transitions de phase quantiques.


Evolution en fonction de la température des conductances de 3 contacts quantiques connectés en parallèle à un petit îlot métallique. Chaque flèche colorée représente la variation de la conductance G2 d’un des contacts en fonction de la conductance des deux autres contacts (réglés tels que G1=G3) lorsque la température varie de 55 mK à 8 mK pour des configurations initiales différentes. La conductance G2 dépasse la limite quantique e2/h (e est la charge de l’électron et h la constante de Planck) dans la zone grisée en raison de fortes corrélations électroniques. Les lignes grises représentent les prédictions théoriques (NRG) pour une toute petite asymétrie. © C2N, CNRS/UPSud/Univ. Paris Diderot

Tunable quantum criticality and super-ballistic transport in a “charge” Kondo circuit
Z. Iftikhar, A. Anthore, A. K. Mitchell, F. D. Parmentier, U. Gennser, A. Ouerghi, A. Cavanna, C. Mora, P. Simon, F. Pierre
Science (2018), doi:10.1126/science.aan5592
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Contact chercheur

Frédéric Pierre, directeur de recherche CNRS
Informations complémentaires
Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud/ Univ. Paris Diderot)
Laboratoire Pierre Aigrain (LPA, CNRS/ENS Paris/Univ. Paris Diderot/Sorbonne Université)

Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris-Sud)
Université College Dublin (Irlande)
Contacts INP
Jean-Michel Courty
Marie Signoret
Marine Charlet-Lambert
inp.com cnrs.fr

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Nanomatériaux

Construire des nanomatériaux aux propriétés nouvelles pour l’énergie, les transports et d’autres applications de la vie quotidienne est un enjeu stratégique.

Publié le 1 juillet 2012

L’observation des matériaux au microscope fait apparaître leur composition, leur structure, granulaire ou fibreuse, et leurs défauts. Elle révèle, par exemple, que les alliages métalliques sont constitués d’agrégats de grains de taille micrométrique.

INFLUENCE DE LA STRUCTURE
La structure détermine les propriétés optiques, mécaniques, électriques, magnétiques, thermiques… des matériaux. En faisant coïncider l’échelle d’homogénéité des matériaux avec l’échelle d’action de phénomènes physiques, on peut modifier certaines de leurs caractéristiques. Ainsi, un verre millistructuré est transparent mais pas superhydrophobe, tandis qu’un verre microstructuré est opaque mais toujours pas superhydrophobe. Seul un verre nanostructuré est transparent et superhydrophobe.
Les nanomatériaux sont donc volontairement façonnés à cette échelle : ils sont constitués d’éléments nanométriques qui vont leur conférer la propriété recherchée. Ils peuvent se présenter sous forme de nanopoudre ou comprennent des nanoparticules intégrées dans une matrice ordinaire (on parle alors de matériaux composites).
En diminuant la taille des grains, on obtient des matériaux plus légers et ayant de meilleures propriétés mécaniques, par exemple plus résistants. Les matériaux obtenus sont plus malléables car les grains glissent plus facilement les uns par rapport aux autres.


Plus un objet est petit, plus sa surface externe est importante par rapport à son volume. Les objets nanométriques sont caractérisés par un nombre d’atomes en surface identique au nombre d’atomes en volume. Les phénomènes de surface jouent donc un rôle désormais prédominant. Le monde naturel l’illustre bien : ainsi, un insecte peut marcher sur l’eau mais, grossi 500 fois jusqu’à la taille d’un éléphant, il n’en serait plus capable.
De plus, ce qui se passe à l’interface entre chaque élément constitutif est aussi très important. Plus il y a d’éléments, plus la surface d’échange augmente. Celle des objets nanométriques est par conséquent immense. Il est ainsi possible de modifier les propriétés d’un matériau en le façonnant à cette échelle. Par exemple, le cuivre formé de nanocristaux est trois fois plus résistant mécaniquement qu’en microcristaux. Une poussière de nanotubes « en vrac » a une immense surface d’échange avec son environnement : plusieurs centaines de mètres carrés par gramme. Cela permet notamment d’augmenter l’efficacité des catalyseurs de l’industrie chimique ou des pots d’échappements pour le même volume de matière.
Certains matériaux réémettent de la lumière visible quand ils sont éclairés : c’est le phénomène de photoluminescence. Sous des rayons ultraviolets, la couleur émise par des nanocristaux de séléniure de cadmium change en fonction de leur dimension, passant du bleu pour des grains de 2 nm au vert pour 3 nm, puis au rouge pour 5 nm. Dotés de cette propriété, les nanocristaux de semi-conducteurs, souvent appelés quantum dots, peuvent être utilisés dans le marquage moléculaire ou encore comme marqueurs d’objets précieux et de produits commerciaux.
On peut ainsi utiliser la réactivité ou les propriétés de certaines nanoparticules pour obtenir des surfaces fonctionnalisées : vitres autonettoyantes, miroirs antibuée, revêtements antibactériens et/ou fongicides… Pour cela, il faut déposer une couche de ces nanoparticules à la surface d’un objet en matériau ordinaire avec des procédés comme le sol-gel ou le dépôt en phase vapeur.

La nature inspiratrice
Le gecko, petit animal qui ressemble à un lézard, a la propriété étonnante de courir au plafond ! En examinant de très près la surface de ses pattes, on a découvert qu’elle est constituée d’un tapis de fibres très serrées qui lui donne cette superadhérence. Des chercheurs sont en train d’en copier la structure pour reproduire cet effet de nano-velcro…
La feuille de lotus, quant à elle, présente une propriété étonnante : elle est superhydrophobe. L’étude nanométrique de sa surface met en évidence une nanostructure qui fait glisser les gouttes, et permet de comprendre comment et pourquoi, même plongée dans l’eau, elle paraît toujours sèche. L’intérêt de cette recherche est de pouvoir fabriquer des verres hydrophobes qui pourraient équiper les véhicules et la lunetterie.
Les objets nanométriques « naturels » sont depuis toujours présents dans notre environnement. Les grains d’argent des émulsions photographiques, la poudre à base d’encre de Chine, les colorants des verres (de certaines cathédrales par exemple) contiennent des nanoparticules. Mais les objets dérivant des nanotechnologies ne sont fabriqués que depuis quelques années. Aujourd’hui, plus de 350 produits grand public sont commercialisés pour lesquels le constructeur mentionne au moins un élément dérivé des nanotechnologies. Parmi eux, on compte des cosmétiques, des systèmes électroniques et des produits ménagers et sportifs.
Pour beaucoup d’applications, des nanoparticules aux propriétés déterminées sont incluses dans une matrice, créant ainsi un matériau composite fonctionnel. Tout, ou presque, est envisageable : béton ultraléger, résistant et auto-cicatrisant, film de polyéthylène antibactérien (en incluant des nanoparticules d’argent) et imperméable aux rayons UV (grâce à des nanoparticules de dioxyde de titane), crèmes solaires incorporant, elles aussi, des nanograins de dioxyde de titane pour l’absorption des UV dangereux pour la peau, céramiques nanorenforcées rendues bio­compatibles, matières plastiques à base de polymères rendues conductrices, ininflammables ou plus résistantes…

DES NANOS AU SERVICE DE L'ÉNERGIE

L’apport des nanomatériaux et des matériaux nanostructurés est stratégique dans le domaine de l’énergie nucléaire du futur, en particulier dans les projets liés aux réacteurs de « Génération IV ».

En effet, qu'il s'agisse des nouveaux alliages métalliques renforcés par une dispersion très fine d’oxyde (aciers ODS) ou de composites à matrices céramiques (CMC), les performances de ces matériaux reposent sur leur nanostructuration. Elles permettent par exemple aux premiers de renforcer leur résistance lors de leur utilisation en environnement sévère ; aux seconds de présenter une conductivité thermique élevée. Le développement pour le nucléaire de ces matériaux nanostructurés permettra la diffusion de connaissances, de savoir-faire technologique et d’innovation dans d’autres secteurs industriels.
Les nouvelles technologies de l’énergie intègrent aussi ces recherches.
Premier exemple : les cellules photovoltaïques. Les dispositifs actuels en silicium cristallin convertissent au maximum 16 à 18 % de la puissance du Soleil en énergie électrique, mais la fabrication des cellules est coûteuse, complexe, et exige de grandes précautions. Les nanotechnologistes élaborent des structures photosensibles flexibles, à partir de plastiques conducteurs, actuellement en phase de test.


Préparation des cellules solaires photovoltaïques souples à l’Institut national de l’énergie solaire. © C.Dupont/CEA
L’apport des nanomatériaux et des matériaux nanostructurés est stratégique dans le domaine de l’énergie nucléaire du futur.

Pour les piles à combustible, le polymère des membranes a été rendu plus résistant mécaniquement, chimiquement et thermiquement. Les particules de platine, qui jouent le rôle de catalyseur, ont été remplacées par des nanoparticules, permettant ainsi d’économiser du métal précieux.
Le champ des possibles est immense. À l’évidence, des secteurs comme l’aéronautique et l’aérospatial, toujours à la recherche de matériaux légers et ultra-performants, seront de gros utilisateurs. Les moyens de transport terrestres, maritimes et aériens seront plus légers, emporteront plus de charge utile tout en consommant moins d’énergie et donc en polluant moins. L’industrie textile connaîtra aussi sans doute des bouleversements : de nombreux scientifiques travaillent déjà sur des tissus « intelligents ».

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Le calcul et l'ordinateur quantiques

Publié le 18 mai 2021

Si l'on ne dispose pas encore d’une véritable technologie d’ordinateur quantique, qui permettrait d'exploiter toute la puissance du calcul quantique, de nombreuses routes sont néanmoins explorées aujourd’hui. Toutes font encore face à des difficultés sans solution viable. Mais l’histoire du domaine a montré que des verrous considérés comme infranchissables finissaient par être levés. C’est pourquoi la recherche mondiale est plus active que jamais et les annonces publiques se multiplient, dans le cadre de ce qui est appelé aujourd’hui la "deuxième révolution quantique".

Le calcul quantique ambitionne d'utiliser les propriétés quantiques ultimes de la matière (la superposition, l'intrication et la non-localité) pour effectuer massivement des opérations sur des données grâce à l'ordinateur quantique. Il permettrait de ce fait de dépasser très largement les capacités offertes par les ordinateurs classiques.

LES QUBITS, AU COEUR DU CALCUL QUANTIQUE
Le calcul quantique s’appuie sur des qubits, pendants quantiques des bits classiques. D’un point de vue physique, les qubits sont des systèmes matériels pouvant être mis dans deux états quantiques distincts. Conformément aux lois de la physique quantique, le qubit peut être placé dans un ensemble continu de superpositions de ses deux états de base, contrairement au bit classique qui ne peut prendre que deux valeurs (0 ou 1).
Comme les bits classiques, les qubits peuvent être utilisés pour encoder une information et soumis à des portes quantiques (équivalents des portes logiques). 

Qu'est-ce qu'un bit quantique ?
Dans un ordinateur classique, l’information est stockée dans un ensemble (registre) de cases mémoires, les bits, dont la valeur est soit 0, soit 1. Un bit quantique (qubit) a, quant à lui, deux états quantiques |0> et |1>, séparés par une différence d’énergie définissant sa fréquence (fQB), et peut être à la fois dans ces deux états. Au cours d’un algorithme (succession d'opérations dites « portes logiques »), le registre de qubits se trouve dans une superposition quantique de tous ses états possibles (|00...0>, |10...0>, |11...1>, |10...1>), permettant un calcul massivement parallèle.



Le fonctionnement d'un ordinateur quantique
    

Atouts et difficultés de la recherche sur le calcul quantique
La promesse d’un parallélisme massif
Grâce à ses propriétés quantiques (superposition et intrication), un registre de N qubits se trouve à un instant donné dans une superposition de ses 2N configurations de base. Un registre de N bits ne peut, lui, se trouver que dans une seule d’entre elles à la fois.

Toute opération appliquée à un registre de N qubits s'effectuerait donc en parallèle sur les 2N états, là où un ordinateur classique doit traiter l’opération de façon séquentielle. Ce parallélisme massif ouvre des horizons extrêmement prometteurs, laissant espérer une résolution beaucoup plus rapide de certains problèmes ou l’identification d’une solution à des problèmes aujourd’hui insolubles.

L'intrication quantique
L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système unique, et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare.

Décohérence et correction d’erreurs
De très nombreux obstacles physiques et technologiques se dressent toutefois sur la route du calcul quantique, à commencer par la fragilité de l’état de superposition qui lui est nécessaire. Toute interaction, aussi minime soit-elle, avec l’extérieur (que ce soit par le biais d’interactions environnementales ou de mesures effectuées sur le système) a pour effet de détruire la superposition quantique : c’est la décohérence. La difficulté s’aggrave à mesure que le nombre de qubits intriqués augmente : le temps de cohérence d’un état intriqué de N qubits est en effet environ N fois plus court que celui d’un seul qubit.

Or, les interactions avec l’environnement ne peuvent par ailleurs être réduites à zéro, car elles sont nécessaires pour appliquer des opérations logiques sur les qubits et en effectuer la lecture. En pratique, il faut donc corriger les erreurs.


L'histoire de l'ordinateur quantique
Au début des années 1980, le Nobel de physique Richard Feynman est le premier à pressentir les possibilités faramineuses d’un ordinateur capable de tirer parti des lois quantiques.
Dès les années 1990, plusieurs théoriciens démontrent que certains calculs verraient leur résolution accélérée dans des proportions inouïes s’il était possible de les implémenter sur des bits quantiques, aussi appelés qubits, plutôt que sur des bits classiques. À condition, bien sûr, de disposer d’un processeur quantique pour les utiliser, processeur dont personne ne sait à l’époque à quoi il pourrait ressembler.

Molécules en phase liquide, ions piégés par des faisceaux laser, impureté dans les solides… les idées commencent à fuser dans les laboratoires de physique pour définir ce qui pourrait devenir les briques de base d’un futur ordinateur quantique, à l’instar des transistors de la microélectronique classique.


QUELS SONT LES ENJEUX DE LA RECHERCHE SUR LE CALCUL ET L'ORDINATEUR QUANTIQUES ?

Au XXe siècle, la mise au jour de la physique quantique a révolutionné notre conception du monde mais aussi notre mode de vie avec ses applications : lasers, transistors, circuits intégrés.
Une deuxième révolution quantique advient à l’aube du XXIe siècle. Elle regroupe des recherches visant à concevoir et à réaliser des dispositifs de rupture qui exploitent les phénomènes physiques de la superposition et de l’intrication quantique. C’est un domaine en pleine expansion avec de très forts enjeux scientifiques et technologiques. En particulier, la réalisation d’un ordinateur quantique, dont le calcul est intrinsèquement parallèle et permet de traiter en un temps très réduit de grandes quantités d’information, avec des performances inaccessibles au calcul classique, permettrait des approches révolutionnaires pour résoudre certaines classes de problèmes. Parmi les applications possibles :


*         La chimie : simuler, in silico, de manière exacte, la structure et le fonctionnement de grosses molécules d’intérêt pour la pharmacologie ou pour l’agronomie. Avec les plus puissants ordinateurs actuels, il est possible de simuler des petites molécules mais il est souvent nécessaire de recourir à de fortes approximations dès que la taille du système étudié augmente.
*         Le Data mining : Accélérer la recherche d’une information spécifique dans une vaste base de données.
*         L’optimisation de procédés de l’industrie du futur : trouver une solution optimale dans un système complexe multiparamétrique, comme par exemple la tournée la plus rapide d’un camion de livraison ou ajuster l’offre à la demande sur un réseau électrique très décentralisé.

*         L’intelligence artificielle : au cours de la phase d’apprentissage d’un système d’IA, telle qu’une reconnaissance d’images, les informations pourraient être simultanément reconnues et non de façon séquentielle comme c’est le cas avec des processeurs classiques (examiner une situation, puis une autre, etc.).
*        
OÙ EN EST LA RECHERCHE DANS LE DOMAINE DU CALCUL QUANTIQUE ?

La recherche fondamentale dans le domaine de l'information quantique a connu un essor important cette dernière décennie. Les enjeux dans ce domaine et la rupture technologique que présenterait un ordinateur quantique ont incité de grandes entreprises à investir d'importants moyens, en s'associant à des communautés scientifiques, ou en créant leurs propres laboratoires de recherche.
L'association de Google avec l'Université de Californie de Santa Barbara ou la collaboration annoncée sur dix ans du groupe lntel avec l'université technologique de Delft illustrent l'engouement pour cette thématique de recherche et la nécessité de construire un véritable partenariat public-privé sur le long terme. Atos-Bull, leader européen du calcul intensif, s'est aussi positionné activement sur la feuille de route de l'ordinateur quantique en réalisant un émulateur d'ordinateur quantique intégrant finement mémoire et calcul dans un serveur classique optimisé, et en créant une équipe spécialisée en logiciel adapté au quantique.


4 pistes de qubits en compétition dans le monde

Actuellement, 4 types de qubits sont à l’étude dans le monde : le qubit supraconducteur, le qubit silicium, le qubit à ions piégés et le qubit photonique.
*         Le qubit supraconducteur est pour le moment la technologie la plus avancée. Il correspond à l’état d’un courant supraconducteur qui traverse une barrière très fine grâce à l’effet Josephson (c’est-à-dire l’apparition d’un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche d’un matériau non supraconducteur). L’objectif est de créer, à très basse température, une superposition de deux états distincts d’un courant qui oscille à haute fréquence et traverse la barrière en une boucle supraconductrice. Cette technique est utilisée notamment par IBM, Google, Intel, D-Wave et le CEA.
*         Le qubit silicium, utilise, également à très basse température, la superposition (provoquée par un champ magnétique) du spin (une propriété quantique des particules qui n’a pas d’équivalent en physique classique) d’un électron. De petite taille (généralement 30 nanomètres), les qubits silicium pourraient ainsi être intégrés par millions voire milliards sur une même puce. Ils sont en outre compatibles avec les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor : technologie de fabrication des composants électroniques), largement utilisées dans l’industrie microélectronique, ce qui leur donne un avantage compétitif pour la production en série. Cette approche est développée notamment par Intel et le CEA.
*         Le qubit à ions piégés correspond à des orientations magnétiques d’ions, généralement de calcium, maintenus sous vide. Il fonctionne lui aussi à très basse température. Un laser sert à la mesure et exploite le phénomène de fluorescence des ions excités par le laser. Le magnétisme est utilisé pour l’activation des portes quantiques (qui sont les briques élémentaires d’un circuit quantique, fonctionnant sur quelques qubits). Certes difficilement industrialisables, les ions piégés peuvent s’intriquer plus librement et donc résoudre des calculs complexes plus facilement.
*         Enfin, le qubit photonique est, quant à lui, codé sur de nombreux paramètres indépendants servant à décrire l’état d’un photon (aussi appelés degrés de liberté) : polarisation, couleur, forme spatiale ou temporelle. Les portes quantiques sont réalisées à l’aide de dispositifs optiques avec des filtres à deux couleurs ou polarisants. Il faut un grand nombre de lasers pour piloter l’ensemble, ce qui est contraignant. L’avantage de cette option est que ces qubits fonctionnent à température ambiante.


Une accélération mondiale et un grand nombre d’initiatives publiques et privées
Plusieurs actions majeures à l'étranger (Etats-Unis, Royaume-Uni, Pays-Bas, Danemark) impliquent dès aujourd'hui de très grands industriels (Google, Intel…) et mobilisent des financements de plusieurs dizaines de millions d'euros.
Au niveau européen, un flagship sur l'ingénierie quantique a été décidé en 2016 et a démarré en 2018 avec l'ambition d'amener les technologies quantiques sur le marché. Le financement annoncé est d'au moins un milliard d'euros, apporté par la Commission européenne et les Etats membres sur dix ans.
A l'échelle nationale, Emmanuel Macron a présenté le 21 janvier 2021 le Plan quantique français, dont le Programme et équipements prioritaires de recherche dédié est coordonné par le CEA, le CNRS et l'INRIA.

Un grand nombre de voies à explorer pour espérer lever les verrous conceptuels et technologiques
Un grand nombre de voies de réalisation physique est développé en parallèle. Aucun consensus ni aucun argumentaire robuste n’existe aujourd’hui sur la solution la plus adaptée pour réaliser un ordinateur quantique comprenant plus d’une dizaine de qubits. Tous les systèmes étudiés jusqu’à présent se sont en effet heurtés aux problèmes de décohérence et de complexité rapidement croissante des dispositifs quand le nombre de qubits augmente : le temps de cohérence d’un état intriqué de N qubits est en effet environ N fois plus court que celui d’un seul qubit.
Or, les interactions avec l’environnement ne peuvent par ailleurs être réduites à zéro, car elles sont nécessaires pour appliquer des opérations logiques sur les qubits et en effectuer la lecture. En pratique, il faut donc corriger les erreurs. La seule architecture connue pour ce faire, appelée « code de surface », demande un très grand nombre de qubits physiques par qubit logique.
Ce problème de la correction d’erreurs est donc plus qu’ardu car ses difficultés sont d’ordre à la fois conceptuel et technologique, liant degrés de liberté, interactions, complexité, méthode d’adressage, méthode de mesure, décohérence. A ces questions s’ajoute la vaste problématique de l’algorithmique et de son implémentation pratique dans une architecture donnée (traitement des erreurs, langage de programmation…).

Notions clés
*         Le bit quantique ou qubit est l'unité élémentaire pouvant porter une information quantique. Comme le 1 et le 0 sont les deux états d'un bit classique ordinaire, un qubit est la superposition cohérente d'au moins deux états de base quantiques, que l'on peut noter |0> et |1>.
*         Au XXe siècle, la mise au jour de la physique quantique a révolutionné notre conception du monde mais aussi notre mode de vie avec ses applications : lasers, transistors, circuits intégrés.
*         Une deuxième révolution quantique advient à l’aube du XXIe siècle. Elle regroupe des recherches visant à concevoir et à réaliser des dispositifs de rupture qui exploitent les phénomènes physiques de la superposition et de l’intrication quantique.

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