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Etude des symétries dans des monocouches de colloïdes

La nature aime certaines symétries, mais en abhorre d’autres. Les solides ordonnés présentent souvent une symétrie de rotation d’ordre 6. Pour réaliser ce type de symétrie, les atomes d’un même plan de s’entourent de six atomes voisins dans un arrangement similaire à celui trouvé dans un nid d’abeilles. Par opposition à cela, des matériaux ordonnés avec une symétrie de rotation d’ordre 7, 9 ou 11 ne semblent pas exister dans la nature.

Des chercheurs de l’Institut Max Planck, de l’Université de Stuttgart et de la Technische Universität Berlin ont découvert la cause de ce phénomène lorsqu’ils ont tenté d’imposer une symétrie de rotation d’ordre 7 sur une couche de particules colloïdes chargées en utilisant des champs laser intenses : l’émergence de structures ordonnées exige la présence de noyaux auxquels les atomes avec la symétrie correspondante peuvent se joindre. De tels noyaux peuvent être trouvés en grand nombre pour les symétries privilégiées par la nature. Par contre, ils n’apparaissent que de façon sporadique dans une configuration avec un symétrie de rotation d’ordre 7.

symétries dans des monocouches de colloïdes

Les chercheurs génèrent des pattern de lumière comme ceux montrés dans l’image ci-dessus en superposant plusieurs faisceaux laser (Photo: Jules Mikhael, Université de Stuttgart). Des structures en forme de fleur se créent dans les reliefs laser et agissent comme noyau avec une symétrie forcée (en haut à gauche: symétrie d’ordre 5; en haut à droite: symétrie d’ordre 6; en bas à gauche: symétrie d’ordre 7; en bas à droite: symétrie d’ordre 8).

Le processus en cause ici semble difficile à saisir mais est en fait relativement simple : un matériau a une symétrie de rotation d’ordre 6 si l’arrangement de ses atomes reste inchangée quand il est tourné de 60 degrés – un sixième de cercle. Les atomes des métaux s’organisent souvent selon cet ordre. Cependant, des structures plus complexes avec une symétrie de rotation d’ordre 5, 8 ou 10 existent également. « Il est surprenant que des matériaux avec un symétrie de rotation d’ordre 7, 9 ou 11 n’aient pas encore été observées dans la nature », explique Clemens Bechinger, membre de l’Institut Max Planck de recherche sur les métaux et professeur à l’Université de Stuttgart. « Cela est d’autant plus étonnant compte tenu du fait que des modèles avec une telle symétrie de rotation peut être établie sans difficulté sur papier. » La question est donc de savoir si ces matériaux ont été purement et simplement ignoré jusqu’à présent, ou si la nature a une aversion pour certaines symétries.

Telle est la question que Clemens Bechinger a étudié avec ses collègues. « La réponse est d’intérêt autant en principe que parce qu’elle pourrait aider à l’adaptation des matériaux pour des applications techniques », explique le physicien. Les caractéristiques d’un matériau sont généralement très dépendantes de sa symétrie de rotation. Le graphite et le diamant, par exemple, se composent d’atomes de carbone et diffèrent uniquement par leur symétrie cristallographique.

Pour produire des matériaux à symétrie de rotation d’ordre 7 qui n’existent pas réellement dans la nature, les chercheurs ont eu recours à une astuce : ils ont superposé sept faisceaux laser et généré une répartition de la lumière avec une symétrie d’ordre 7. Ils ont ensuite introduit une couche de particules colloïdales d’une épaisseur d’environ trois micromètres dans le champ laser. L’effet du champ électromagnétique sur les particules est semblable à la formation d’un paysage de montagne avec pour effet que les particules colloïdales ont ont tendance à se stabiliser dans les vallées. Les particules colloïdales, qui se repoussent mutuellement en raison de leurs charges électriques, tendent naturellement à former une symétrie d’ordre 6.

Les chercheurs ont augmenter le profil du paysage de lumière en augmentant progressivement l’intensité des lasers. De cette façon, ils ont exercé une pression croissante sur les particules colloïdales pour qu’elles forment une symétrie d’ordre 7 plutôt qu’une symétrie d’ordre 6. « Cela nous permet de déterminer l’intensité du laser à laquelle les particules effectuent la transition d’une symétrie d’ordre 6 vers un symétrie d’ordre 7 », explique Jules Mikhael, étudiant au doctorat travaillant sur le projet.

De la même manière, les physiciens ont forcé une symétrie d’ordre 5 à l’aide de faisceaux laser et ont observé une nette différence : les particules évitent clairement la symétrie d’ordre 7 et assument la symétrie d’ordre 5 à des intensités laser relativement faibles. Par conséquent, le rejet par la nature des symétries d’ordre 7 est également démontré dans le modèle créé par les chercheurs de Stuttgart.

« Ce qui est crucial, cependant, est que notre expérience révèle aussi la raison pour laquelle les particules refusent obstinément à former un arrangement d’ordre 7 », note Clemens Bechinger. Lorsque les physiciens ont augmenté l’intensité du laser, les particules ont d’abord adopté une symétrie d’ordre 7 que dans des endroits très isolés. Ce n’est que lorsque l’intensité est encore accrue que l’ordre s’étend à l’ensemble de l’échantillon. Les chercheurs ont identifié certaines structures dans la répartition de la lumière qui sont le point de départ pour une symétrie de rotation d’ordre 7. Il s’agit d’un point central de la lumière entourée par un anneau d’autres points de lumière. Cette forme rappelle celle d’une fleur.

« Dans la répartition de la lumière avec une symétrie d’ordre 5, on trouve environ 100 fois plus de ces centres en forme de fleur que dans celle avec la symétrie d’ordre 7 », explique Michael Schmiedeberg. La densité de ces noyaux joue clairement un rôle crucial. Plus leur densité est élevée, moins grande est la force que les chercheurs doivent exercer pour générer des structures avec la symétrie de rotation correspondante. À ce moment, une faible intensité de lumière laser est suffisante pour forcer le pattern de symétrie à s’étendre à partir du centre.

Les différences dans la densité des noyaux en forme de fleur explique aussi à elle seule pourquoi les symétries d’ordre 8 et 10 se retrouvent dans la nature, mais non celles d’ordre 9 et 11. « Le résultat est étonnant car il s’agit d’un argument géométrique simple », dit Bechinger. « Il est totalement dépendant de la nature particulière de l’interaction entre les particules, et s’applique donc à la fois à nos systèmes colloïdaux et aux systèmes atomiques. »

Tout d’abord, ces expériences montrent pourquoi ce n’est pas un hasard que des matériaux avec certaines symétries sont absents dans la nature. Deuxièmement, elles démontrent de façon concrète, comment réaliser artificiellement de telles structures dans les systèmes colloïdaux – soit avec l’aide de champs extérieurs. Cela peut être utile pour la production de cristaux photoniques à symétrie inhabituelle dans laquelle, par exemple, différentes couches de colloïdes à symétrie de rotation d’ordre 7 sont empilés les uns sur les autres. Les cristaux photoniques composé de micro-structures affectent les ondes lumineuses de façon similaire à celle avec laquelle les réseaux cristallins affectent les électrons. En raison de la symétrie de rotation plus élevée, les caractéristiques optiques des cristaux photoniques d’ordre 7 seraient moins dépendantes de l’angle d’incidence d’un faisceau de lumière que les cristaux photoniques en vigueur ayant une symétrie d’ordre 6.

En plus de cela, les matériaux avec des symétries non conventionnelles ont d’autres caractéristiques intéressantes, par exemple une très faible résistance de frottement. Par conséquent, ils peuvent améliorer la capacité de glissement des particules mobiles sous la forme de couches minces. « Dans l’ensemble, la recherche de matériaux avec une symétrie de rotation inhabituelle est d’un intérêt considérable », explique Clemens Bechinger. « Nos résultats peuvent aider à identifier les symétries particulières ayant de l’intérêt. »

Source : article original

Article publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences

1 Comment to “Etude des symétries dans des monocouches de colloïdes”

  • C.D.P. mercredi 7 avril 2010 à 14:01

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