Vue aérienne d'un cristal de gravité utilisant des sphères d'aluminium de taille mm placées sur une surface conductrice en forme de bol. La haute tension d'un générateur Van de Graaff a été appliquée sur la surface inférieure (graphite) et une fenêtre conductrice transparente a été placée quelques cm au-dessus des billes. Une fois chargé, les sphères d'aluminium se repoussent, formant finalement un motif périodique avec un ordre à la fois à court et à long terme. Crédit :Alexandre Bataller
Prenez un bol à mélanger dans votre cuisine, jeter une poignée de billes d'aluminium, appliquer de la haute tension, et regardez une danse élégante se dérouler où les particules se réorganisent en un motif "cristal" distinct. Ce comportement curieux appartient au phénomène connu sous le nom de cristallisation de Wigner, où les particules avec la même charge électrique se repoussent pour former une structure ordonnée.
La cristallisation de Wigner a été observée dans divers systèmes, allant de particules de la taille de grains de sable en suspension dans de petits nuages d'électrons et d'ions (appelés plasma poussiéreux) aux intérieurs denses d'étoiles de la taille d'une planète, connues sous le nom de naines blanches. Le professeur Alex Bataller de la North Carolina State University a récemment découvert que la cristallisation de Wigner à l'intérieur des naines blanches peut être étudiée en laboratoire à l'aide d'une nouvelle classe de systèmes classiques, appelés cristaux de gravité.
Pour que le comportement curieux de la cristallisation de Wigner se produise, il doit y avoir un système composé de particules chargées qui sont à la fois libres de se déplacer (plasma), qui interagissent fortement entre elles (particules fortement couplées), et a la présence d'une force de confinement pour empêcher les particules de plasma d'exploser de manière répulsive les unes des autres.
Pour étudier cette condition à petite échelle en laboratoire, Le Dr Bataller a conçu un nouvel arrangement qui met des sphères métalliques en contact avec une surface de confinement à haute tension, qui charge les sphères en transférant des centaines de millions d'électrons à leur surface, et augmente ainsi la répulsion des particules, et maintient également les particules contenues. En outre, quand les sphères roulent sur la surface, leur mouvement produit une friction qui réduit rapidement l'énergie cinétique et favorise un couplage fort.
La flexibilité du concept de cristal de gravité permet l'exploration de la même physique qui régit la stratification oxygène-carbone dans les étoiles naines blanches froides. Ceci peut être observé en mélangeant différentes sphères de masse (cuivre et aluminium) dans "le bol d'Alina, " un bol mélangeur de cuisine en acier inoxydable peu profond. Une fois la tension appliquée, les billes de cuivre les plus lourdes « coulent » au centre du bol et se séparent des billes d'aluminium plus légères. Crédit :Alexandre Bataller
L'idée clé qui a permis la présente découverte était d'utiliser la gravité comme force de confinement. De cette façon, de petites sphères chargées peuvent être confinées gravitationnellement à l'aide d'une géométrie simple... un bol.
En utilisant le confinement gravitationnel, Le Dr Bataller a découvert que la cristallisation de Wigner peut également être étendue à des dimensions macroscopiques avec des particules un million de fois plus massives que son cousin à plasma poussiéreux, qui peut maintenant être utilisé pour étudier d'autres systèmes cristallins. Par exemple, les cristaux de gravité peuvent simuler une curieuse caractéristique des étoiles naines blanches appelée sédimentation. Il a été récemment découvert que des couches cristallines stratifiées peuvent se former au sein d'étoiles naines blanches contenant de l'oxygène et du carbone, où l'oxygène plus lourd « coule » vers le cœur. L'arrangement des cristaux de gravité reproduit cet effet de superposition lors de l'application d'une haute tension à un système initialement mélangé de billes de cuivre et d'aluminium. Analogue à la sédimentation dans les étoiles naines blanches, les billes de cuivre gravitent vers le centre du bol tout en conservant une structure cristalline.
Les propriétés du plasma et l'environnement externe d'un cristal de gravité et d'une étoile naine blanche sont aussi différents qu'on peut l'imaginer, pourtant les deux systèmes présentent un comportement similaire, ce qui témoigne de la nature robuste de la cristallisation de Wigner.
"La riche diversité des systèmes où nous avons observé la cristallisation de Wigner est un résultat direct de sa nature indépendante de l'échelle, " a déclaré le Dr Bataller. " Les cristaux de gravité étendent ce phénomène aux dimensions humaines tout en nécessitant des ressources minimales. Ce qui m'excite le plus dans cette nouvelle plate-forme, c'est que pratiquement tout individu curieux peut recréer cet état fascinant de la matière qui, jusqu'à maintenant, s'est limité à des expériences d'un million de dollars et à l'intérieur dense des étoiles."
