Chaleur glaçante

Vous connaissez au moins 3 des états de la matière, et les changements de phase qui leur sont associés :

Vous savez certainement qu'il existe des températures spécifiques qui correspondent au changement de phase par exemple l'eau gèle à 0°C.

Et le bon sens ajoute que si on chauffe de la matière solide, alors elle a tendance à fondre et à devenir liquide, et réciproquement, si elle refroidit, elle durcit.

Un solide est un assemblage d'atomes ou de molécules qui deviennent fixes les uns par rapport aux autres (pensez à un cristal), au contraire d'un liquide où tout est en mouvement relatif.

Eric Collet et ses collègues ont eu la surprise de voir un matériau "geler", dont les atomes deviennent fixes, alors que sa température s'élève, alors qu'on parle habituellement d'agitation thermique, pas de repos thermique...

On sait que l'entropie caractérise le désordre, et à basse température, les atomes, ordonnés, sont figés, l'entropie est plus basse. Quand la température augmente, les matériaux deviennent souvent liquides, le désordre des atomes augmente, et l'entropie augmente.

Mais les chercheurs ont trouvé un matériau qui semble plus désordonné à basse température qu'à haute température !

Alors évidemment, quand on le chauffe, il gèle.

Comment ce petit miracle est-il possible ?

Le matériau présente deux états :

1. le matériau est diamagnétique, les électrons sont appariés, forcément à spins opposés (Pauli interdit d'avoir deux électrons identiques). L'état électronique est bien ordonné.
2. le matériau est paramagnétique, les électrons sont célibataires, et leur spin est libre, plusieurs configurations sont possibles. C'est moins bien ordonné.

Mais les configurations spatiales des atomes qui portent ces électrons présentent également deux états :

1. diamagnétique : deux positions possibles. C'est moins bien ordonné.
2. paramagnétique : une seule orientation. C'est mieux ordonné.

Deux phénomènes sont en compétition (en réalité, c'est plus compliqué que cela), et à la fin, c'est l'entropie qui gagne.

Il se trouve que l'état diamagnétique se passe à basse température, et que l'entropie liée au désordre électronique est plus important que l'entropie liée à l'orientation atomique : quand on chauffe, le désordre électronique augmente plus que l'ordre spatial, la position des atomes se fige, le matériau « gèle ».

Au-delà de la curiosité scientifique, cette découverte ouvre la voie à la réalisation de matériaux présentant des propriétés intéressantes qui n'existent aujourd'hui que lorsque les atomes sont figés, ce qui n'arrive en pratique qu'à de très basses températures, trop proches du zéro absolu, donc pas commode d'usage.

Vous avez déjà vu la piézoélectricité et la pyroélectricité, où les atomes, pourtant en réseau cristallin, subissent des forces qui conduisent à l'apparition de charges électriques, ou l'inverse.

Ces matériaux montrent des propriétés intéressantes à température ambiante où les atomes sont cristallisés, mais d'autres matériaux le sont encore plus, mais uniquement à très basse température où ils sont figés.

On peut à présent envisager, grâce au désordre électronique, de figer la position des atomes à des températures plus élevées, en dépit de l'agitation thermique habituelle.