Le nombre d'or apparaît dans une symétrie à l'échelle atomique
Des chercheurs d'Allemagne et du Royaume-Uni ont découvert une symétrie dans la matière à l'état solide à l'échelle nanométrique. Les résultats, publiés dans la revue Science, démontrent l'existence d'une symétrie montrant les mêmes attributs que le nombre d'or, une proportion bien connue en art et en architecture. Ces travaux étaient en partie soutenus par le projet NMI3 («Integrated infrastructure initiative for neutron scattering and muon spectroscopy»), financé au titre du domaine thématique «Coordination des activités de recherche» du sixième programme-cadre (6e PC) à hauteur de 21 millions d'euros. Les chercheurs expliquent qu'à l'échelle atomique, les particules peuvent adopter un comportement inattendu et même irrationnel par rapport au monde macroscopique.. Ces nouvelles propriétés résultent du principe d'incertitude formulé par Heisenberg, stipulant qu'il est impossible de connaître simultanément la position et la vitesse exactes d'une particule. Cette contrainte est cependant limitée à l'échelle subatomique. Pour étudier ces effets quantiques, les chercheurs se sont intéressés au niobate de cobalt, un matériau magnétique formé d'atomes associés l'un après l'autre en une chaîne quasiment unidimensionnelle. En effet, ce matériau est très commode pour décrire le ferromagnétisme à l'échelle nanométrique dans la matière à l'état solide. L'application d'un champ magnétique perpendiculaire au spin aligné induit l'apparition dans la chaîne d'un nouvel état, nommé critique quantique. Il peut être considéré comme l'équivalent quantique d'un motif fractal. Le professeur Alan Tennant, du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) en Allemagne, co-auteur de l'étude, précise que «Le système atteint une incertitude quantique, dite du chat de Schrödinger [où l'on ne peut trancher entre deux conditions opposées car simultanées]. «C'est ce à quoi ont abouti nos expériences avec le niobate de cobalt: nous avons conduit le système exactement au point critique quantique.» En 'accordant' le système et en introduisant davantage d'incertitude quantique, les chercheurs ont constaté que la chaîne d'atomes se conduisait comme une corde de guitare, mais à l'échelle nanométrique. Ils ont utilisé une sonde spéciale, à dispersion de neutrons, pour observer les vibrations atomiques du système. «Ici, la tension résulte de l'interaction entre les spins, qui entrent en résonance magnétique», explique l'auteur principal, le Dr Radu Coldea, de l'université d'Oxford au Royaume-Uni. «Pour ces interactions, nous avons découvert une 'gamme' de notes de résonance: les fréquences des 2 premières notes sont dans le rapport de 1,618...; celui du fameux nombre d'or, que l'on retrouve en art en architecture. En mathématiques comme dans l'art, deux grandeurs respectent cette proportion si la division de la somme des deux par la plus grande est égale à la division de la plus grande par la plus petite. Le Dr Coldea souligne que cela ne relève certainement pas du hasard. «Cela reflète une magnifique propriété du système quantique, une symétrie cachée; que les mathématiciens appellent E8, et qui est pour la première fois observée pour un matériau.» Cette observation illustre comment des théories mathématiques, conçues pour la physique des particules, pourraient s'appliquer aux nanosciences et soutenir de futures technologies. «De telles découvertes amènent les physiciens à supposer que le monde à l'échelle quantique pourrait être basé sur un ordre propre», commente le professeur Tennant, directeur de l'équipe du HZB. «Il se peut que d'autres surprises attendent les chercheurs dans d'autres matériaux à l'état critique quantique.» L'Allemagne, le Danemark, la Hongrie, les Pays-Bas, la Pologne, la Suède, la République tchèque, le Royaume-Uni, et la Russie participaient au projet NMI3.
Pays
Allemagne