La mécanique quantique met en défaut la loi d'Arrhenius

Une étude impliquant des chercheurs du CEA, de l'université de Shimane au Japon et de Culham Science Centre for Fusion Energy en Grande-Bretagne met en défaut la loi d'Arrhenius, loi empirique de cinétique chimique couramment appliquée depuis plus d'un siècle pour décrire la variation de vitesse d'une réaction chimique en fonction de la température. Ces travaux démontrent que la mécanique quantique est indispensable pour comprendre l'évolution des matériaux et de leur microstructure. Basés sur l'étude du mouvement des défauts dans un échantillon de tungstène à température cryogénique, ces résultats sont publiés dans la revue Nature Materials le 27 janvier 2020.

La loi d'Arrhenius est couramment utilisée pour décrire et calculer la variation de la vitesse d'une réaction chimique en fonction de la température. Dans un matériau donné porté à très basse température, elle implique que le transport de tout atome plus lourd que l'hydrogène est considérablement retardé, voire "gelé": elle décrit le matériau et ses défauts comme figés. Une étude publiée dans la revue Nature Materials le 27 janvier 2020 met désormais en défaut la loi d'Arrhenius sur ce point.

Mouvement des boucles de dislocation dans le tungstène à basse température

Les chercheurs se sont intéressés au mouvement des défauts dans un échantillon de tungstène (1) à température cryogénique. Dans un tel matériau, des amas d'atomes interstitiels (2) s'assemblent à l'échelle nanométrique et sont piégées par des atomes d'impuretés (voir illustration). En soumettant ce matériau à une irradiation aux électrons, les chercheurs ont observé qu'un amas peut sortir du périmètre d'une impureté avant d'être à nouveau piégée par une autre d'entre elles.


Pour interpréter leurs mesures expérimentales, ils ont dû recourir à la mécanique quantique, théorie nécessaire pour expliquer les phénomènes observés lors de l'étude du comportement des particules de très faibles masses tels que les électrons, les muons, ou même des atomes d'hydrogène. Cette dernière serait donc indispensable à la compréhension, au calcul et à la simulation de l'évolution des matériaux et de leur microstructure.

Ces résultats suggèrent la nécessité de revisiter toutes les expériences classiques réalisées à des températures cryogéniques (par exemple, les expériences de recuits pour mesurer les variations de résistivité du matériau ou de frottement intérieur) dont l'interprétation quantitative s'appuyait exclusivement sur une loi d'Arrhenius, jusqu'à présent.

Notes:
(1) La masse d'un atome de tungstène (W) équivaut à celle de 183 atomes d'hydrogène (H).
(2) Ces défauts sont constitués d'atomes dits interstitiels. Ce sont des atomes en surnombre mal placés dans l'empilement régulier d'atomes qui constitue le réseau cristallin d'un métal ou d'un minéral.

Références:
​Observation of quantum de-trapping and transport of heavy defects in tungsten, Kazuto Arakawa, Mihai-Cosmin Marinica, Steven Fitzgerald, Laurent Proville, Duc Nguyen-Manh, Sergei L. Dudarev, Pui-Wai Ma, Thomas D. Swinburne, Alexandra M. Goryaeva, Tetsuya Yamada, Takafumi Amino, Shigeo Arai, Yuta Yamamoto, Kimitaka Higuchi, Nobuo Tanaka, Hidehiro Yasuda, Tetsuya Yasuda, Hirotaro Mori