Zoomez sur un cristal et vous trouverez un tableau ordonné d'atomes, régulièrement espacés comme les fenêtres de l'Empire State Building. Mais zoome sur un morceau de verre, et l'image a l'air un peu plus désordonnée - plus comme un tas de sable aléatoire, ou peut-être les fenêtres d'un immeuble de Frank Gehry.

La nature hautement ordonnée des cristaux les rend assez simples à comprendre mathématiquement, et les physiciens ont développé des théories qui capturent toutes sortes de propriétés cristallines, de la façon dont ils absorbent la chaleur à ce qui se passe quand ils se cassent.

Mais on ne peut pas en dire autant de vitreux, des matériaux amorphes ou autrement "désordonnés" tels que le verre de nos fenêtres et de nos vases, des surgelés, et certains plastiques. Il n'y a pas de théories largement acceptées pour expliquer leur comportement physique.

Depuis près de 30 ans, les physiciens se sont demandé si une mystérieuse transition de phase, présents dans les modèles théoriques des matériaux désordonnés, pourrait également exister dans des verres réels. Avec l'aide d'une magie mathématique empruntée à la physique des particules et de dizaines de pages de calculs algébriques, tout est fait à la main - Sho Yaida, boursier postdoctoral de l'Université Duke, a dissipé ce mystère.

Les idées de Yaida ouvrent la possibilité que certains types de verre puissent exister dans un nouvel état de la matière à basse température, influençant la façon dont ils réagissent à la chaleur, le son et le stress, et comment et quand ils se cassent.

"Nous avons trouvé des indices de la transition que nous n'osions pas dire qu'elle était une preuve de la transition parce qu'une partie de la communauté a dit qu'elle ne pouvait pas exister, " a déclaré Patrick Charbonneau, professeur agrégé de chimie chez Duke et conseiller de Yaida. "Ce que Sho montre, c'est qu'il peut exister."

Aussi ahurissant que cela puisse paraître, Charbonneau a dit, les mathématiques derrière des lunettes et d'autres systèmes désordonnés sont en réalité beaucoup plus faciles à résoudre en supposant que ces matériaux existent dans un univers hypothétique de dimension infinie. En dimensions infinies, leurs propriétés peuvent être calculées relativement facilement, tout comme les propriétés des cristaux peuvent être calculées pour notre univers tridimensionnel.

"La question est de savoir si ce modèle a une quelconque pertinence dans le monde réel." dit Charbonneau. Pour les chercheurs qui ont effectué ces calculs, "le pari était que, lorsque vous changez de dimension, les choses changent assez lentement pour que vous puissiez voir comment elles se transforment lorsque vous passez d'un nombre infini de dimensions à trois, " il a dit.

Une caractéristique de ces calculs dimensionnels infinis est l'existence d'une transition de phase - appelée "transition de Gardner" d'après la physicienne pionnière Elizabeth Gardner - qui, si présent dans les verres, pourraient modifier considérablement leurs propriétés à basse température.

Mais est-ce que cette transition de phase, clairement présent dans des dimensions infinies, existe aussi en trois ? Dans les années 1980, une équipe de physiciens a produit des calculs mathématiques montrant que non, ça ne pouvait pas. Pendant trois décennies, le point de vue dominant restait que cette transition, bien que théoriquement intéressant, n'avait aucun rapport avec le monde réel.

C'est-à-dire, jusqu'à ce que de récentes expériences et simulations de Charbonneau et d'autres commencent à en montrer des indices dans des verres tridimensionnels.

"La nouvelle motivation pour regarder ceci est que, lorsqu'on s'attaque au problème de la formation de verre, ils ont trouvé une transition très semblable à celle qui est apparue dans ces études, " a déclaré Charbonneau. " Et dans ce contexte, il peut avoir des applications matérielles importantes. "

Yaida, qui a une formation en physique des particules, a revu les anciennes preuves mathématiques. Ces calculs n'avaient pas réussi à trouver un "point fixe" en trois dimensions, une condition préalable à l'existence d'une transition de phase. Mais s'il faisait un pas de plus dans le calcul, il pensait, la réponse pourrait changer.

Un mois et 30 pages de calculs plus tard, il l'avait.

"Des moments comme ceux-ci sont la raison pour laquelle je fais de la science, " dit Yaida. " C'est juste 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 soixante-dix et quatre-vingt a un rapport physique avec ce monde en trois dimensions."

Après un an de contrôles et de re-contrôles, plus une soixantaine de pages de calculs à l'appui, les résultats ont été publiés le 26 mai dans Lettres d'examen physique .

"Le fait que cette transition puisse exister en réalité en trois dimensions signifie que nous pouvons commencer à la chercher sérieusement, " a déclaré Charbonneau. " Cela affecte la façon dont le son se propage, combien de chaleur peut être absorbée, le transport de l'information à travers elle. Et si vous commencez à cisailler le verre, comment ça va céder, comment ça va casser."

"Cela change profondément notre compréhension des matériaux amorphes en général, qu'il s'agisse de plastiques amorphes ou de tas de sable ou de vitres, " il a dit.