Le saviez-vous ?

Sur cette page, vous trouverez toutes les informations sur la Physique Quantique derrière |Hop>.

Que voulez-vous savoir ?
  • Notation de Dirac
  • Électrons et spin
  • Superposition
  • Réseau cristallin
  • Électrode
  • Énergie & Hamiltonien
  • Cartes de mouvement
  • Cartes d’effet

Notation de Dirac

Si tu te demandes ce que sont ces symboles |↑> et |↓> éparpillés partout dans le jeu, ils font partie de la notation bra-ket. Considère-les comme un code abrégé pour décrire un objet en utilisant ses attributs. Prenons une pomme : sa taille, sa couleur, son poids, sa saveur, et ainsi de suite, font tous partie de sa description. On peut utiliser la notation bra-ket pour exprimer ses propriétés dans l’ordre:
|taille, couleur, poids, saveur, autres propriétés…>

Dans le monde quantique, nous utilisons cette notation pour décrire l’état de particules comme les électrons. Dans ce cas, nous l’appelons un état quantique!

Électrons et spin

Les électrons sont des particules infiniment petites présentes autour du noyau d’un atome, un peu comme des moustiques tourbillonnant autour d’une lampe. Ils ont des propriétés comme la masse et la charge (tout comme tout ce que l’on peut tenir ou toucher), ainsi qu’une propriété unique appelée spin.

Le spin est un nombre qui détermine combien de directions une particule peut avoir. Le spin d’un électron est de 1/2, ce qui signifie qu’il peut toujours être trouvé dans deux directions opposées que nous appelons haut et bas. Ce sont les état quantique |↑> ou |↓> .

Les électrons font partie d’une famille plus large de particules appelées fermions, toutes soumises au principe d’exclusion de Pauli. C’est un peu comme dans une conférence: aucun deux participants (fermions) ne peut occuper le même siège (état quantique) en même temps.

 

Superposition

L’orientation du spin n’est pas figé – il peut changer de manière inattendue ! En mécanique quantique, les électrons peuvent être superposés, un état où le spin n’est pas définitivement vers le haut ou vers le bas, mais quelque part entre les deux. Mais une fois que nous le mesurons, la superposition s’effondre, et nous trouvons que le spin est soit vers le haut, soit vers le bas, comme si l’électron venait de prendre sa décision au dernier moment.

Encore plus bizarre, deux électrons peuvent être intriqués, ce qui signifie qu’ils ont un état superposé combiné : en mesurant un électron, l’autre s’effondre immédiatement, peu importe la distance qui les sépare !

Réseau cristallin

Les atomes dans un matériau peuvent être organisés en structures en grille appelées réseaux cristallins – comme des maisons sur une rue. Chaque site de la grille peut accueillir jusqu’à deux électrons avec des spins différents, un peu comme une maison de deux chambres. Le déplacement des électrons dans un réseau peut ressembler à une série de sauts d’un atome à un autre, appelée approximation des liaisons fortes.

Électrode

Imagine que tu essaies de faire bouger des randonneurs (courant électrique) à travers un sentier (un réseau). Tu devrais diriger les gens depuis une extrémité (la source) tout en t’assurant qu’ils peuvent sortir de l’autre extrémité (le drain). Dans notre jeu, nous avons uniquement des sources. Ainsi, les électrons circulent d’une source à une autre, ce qui provoque un court-circuit.

La conservation de l’énergie est un principe clé en physique quantique, ce qui signifie que l’énergie totale des électrons sur la grille (le plateau de jeu) ne peut pas changer lorsque les électrons se déplacent. Le Hamiltonien est comme une calculatrice d’énergie – il te dit combien d’énergie a une configuration d’électrons en fonction de deux facteurs : l’orientation de leurs spins (champ magnétique) et le nombre d’électrons partageant un site (interactions).

Champ magnétique

Sans champ magnétique, le spin d’un électron n’affecte pas son énergie. Mais lorsque tu ajoutes un champ magnétique, tu obtiens une séparation Zeeman, où une direction de spin devient plus énergétique que l’autre

Interactions

Les électrons peuvent se repousser ou s’attirer, modifiant ainsi leur énergie totale.
Normalement,les électrons se repoussent, donc mettre deux électrons dans le même site coûte plus d’énergie. Mais dans certains cas, les électrons peuvent s’attirer, ce qui rend avantageux pour eux de s’associer. Dans le jeu, cela signifie libérer de l’énergie du plateau vers le joueur.

  • Sans champ magnétique
  • Champ magnétique actif
No magnetic field / Attractive interactions
No magnetic field / No interactions
No magnetic field / Repulsive interactions
Magnetic field up / Attractive interactions
Magnetic field up / No interactions
Magnetic field up / Repulsive interactions
  • Sans interactions
  • Interaction attractive
  • Interaction répulsive

Cartes de mouvements

Déplacement

Imagine un électron se déplaçant dans un matériau composé d’atomes. Si le noyau d’un atome attire trop fortement l’électron, il ne glisse pas en douceur ; au lieu de cela, il saute d’un atome à un autre, un peu comme une grenouille sautant de nénuphar en nénuphar. Mais plus le nénuphar est éloigné, plus il est difficile d’y arriver.

 

Déplacement de paires

Maintenant, imagine deux électrons se retrouvant au même endroit, même s’ils essaient naturellement de se tenir à distance en raison de leurs charges. Ce phénomène se produit dans certains matériaux uniques et aboutit à un doublon. C’est comme si ces deux électrons étaient des copains qui restent ensemble malgré la foule qui essaie de les séparer.

Inversion de Spin

Le spin d’un électron agit avec les champs électro-magnétiques autour de lui de différentes manières. Une de ces actions s’appelle spin-orbite, elle permet aux électrons d’échanger leur spin. C’est un peu comme changer d’équipe en cours de saison !

Effet Tunnel

Les particules quantiques ont une capacité magique – elles peuvent apparaître n’importe où dans l’univers ! C’est parce que leur position n’est pas rigoureusement fixée. Ce tour leur permet de se faufiler à travers des zones auxquelles ils ne sont pas censés avoir accès, comme un fantôme marchant à travers les murs. Les chances que cela se produise dépendent de la taille de la zone interdite. Plus la zone est grande, moins c’est probable !

Pendule de Newton Quantique

Comme le pendule de Newton sur ton bureau avec des balles en acier qui oscillent, les particules quantiques peuvent parfois transférer leur énergie et leur momentum lors de collisions, rebondissant sans perdre d’énergie.

Cartes d’effet

Résistance

La résistance est la raison pour laquelle les filaments des anciennes lampes brillent quand tu les allumes. L’électricité (un flux d’électrons) heurte des choses dans le filament de la lampe, et chaque collision transforme une partie de l’énergie électrique en chaleur, faisant briller le filament.

Vortex quantiques

En supraconductivité, les électrons deviennent des super-héros de la matière, préservant leur énergie lors des déplacements. Lorsqu’un champ magnétique traverse un matériau supraconducteur, les électrons forment des tourbillons autour de certains points, évoquant les feuilles tourbillonnant autour du centre d’une tornade.

Diffusion

Lorsque les électrons se déplacent, ils heurtent souvent d’autres électrons ou atomes. Cela les ralentit et les disperse davantage, comme une foule se dispersant à la fin d’un concert. Cet effet, appelé diffusion, explique pourquoi les électrons ne vont pas toujours directement de A à B.

Ionisation

Chaque électron dans un atome a une région où il passe la plupart de son temps, appelée orbitale. Lorsqu’un électron absorbe de la lumière, il peut changer d’orbitale. Mais si la lumière est trop énergétique, l’électron est éjeté de l’atome !

Impuretés et lacunes

Les atomes dans un matériau s’organisent comme des pommes soigneusement disposées sur une étagère de supermarché. Mais parfois, il y a un espace où un atome manque (lacune) ou un atome en plus se faufile entre eu (impureté).

Seuil de mobilité

Parfois, s’ils n’ont pas assez d’énergie, les électrons peuvent rester bloqués. Pour les remettre en mouvement, nous devons leur donner un petit peu d’énergie. Ce déblocage est appelé un seuil de mobilité, similaire à pousser une voiture en panne pour la remettre en marche.

Effet Tunnel

Les particules quantiques ont une capacité magique – elles peuvent apparaître n’importe où dans l’univers ! C’est parce que leur position n’est pas rigoureusement fixée. Ce tour leur permet de se faufiler à travers des zones auxquelles ils ne sont pas censés avoir accès, comme un fantôme marchant à travers les murs. Les chances que cela se produise dépendent de la taille de la zone interdite. Plus la zone est grande, moins c’est probable !

Cavité micro-ondes

Comme les électrons sont des particules chargées, ils se déplacent dans la direction du champ électrique. Dans une cavité, le champ électrique est aligné pour expulser tous les électrons entrants comme des boulets de canon !