Le second principe de la thermodynamique temporairement transgressé à l'échelle microscopique

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Le second principe de la thermodynamique, tel qu'énoncé par Claudius en 1850, nous enseigne que " La chaleur ne passe pas spontanément d'un corps froid sur un corps chaud ". Cette loi universelle dans le monde macroscopique, perd un peu de sa rigidité dans l'univers de l'infiniment petit, et le second principe de la thermodynamique peut être temporairement transgressé en de très rares occasions. Une équipe de chercheurs de l'Institut des Sciences Photoniques de Barcelone (IFCO), de l'Institut Fédéral Suisse de Technologie de Zurich, et de l'Université de Vienne en Autriche sont récemment parvenu à prédire avec exactitude la probabilité des évènements violant de manière temporaire ce second principe de la thermodynamique.
Ils ont conçu un théorème de fluctuation mathématique qu'ils ont ensuite mis à l'épreuve en utilisant une petite sphère de cristal d'un diamètre inférieur à 100 nanomètre. Les chercheurs ont fait léviter cette nanosphère de cristal grâce à l'utilisation d'un laser, ce qui leur a permis de "capturer" la nanosphère dans un espace restreint et de mesurer sa position dans les trois dimensions de l'espace avec une très grande précision. A l'intérieur de ce "piège" la nanosphère se maintient en mouvement du simple fait de ses collisions avec les molécules du gaz l'environnant.
Les chercheurs ont ensuite utilisé une technique pour manipuler le piège laser et refroidir la nanosphère pour qu'elle atteigne une température inférieure à celle du gaz l'environnant, et se trouve de ce fait dans un état d'instabilité. Après avoir éteint le système de refroidissement, ils s'attendaient à observer un retour de la nanosphère à un état d'équilibre via un transfert d'énergie des molécules de gaz vers la sphère. Pourtant, ils ont observé qu'au contraire, en certaines occasions rares, cette dernière transmettait de la chaleur au gaz qui l'entourait, d'une température pourtant plus élevée que celle de la nanosphère. Totale contradiction du second principe de la thermodynamique : au lieu d'absorber la chaleur d'une source plus chaude (le gaz), la nanosphère libère de la chaleur et creuse encore l'écart de température entre elle et le gaz environnant.
Ce résultat ainsi que le théorème dont les chercheurs ont fait l'hypothèse confirment l'existence de certaines lacunes de ce second principe de la thermodynamique à l'échelle de l'infiniment petit. Dans cet univers de l'invisible, chaque "objet" distinct se trouve continument exposé à des bousculades dues au mouvement thermique des molécules qui l'entourent. Or, plus nous progressons dans l'art de la miniaturisation technologique, plus les composants des micro-machines créées se rapprocheront de la confrontation à ces perturbations propres de l'univers de l'infiniment petit. Cette étude et ses conclusions publiées dans la revue Nature Nanotechnology, pourraient donc, selon les chercheurs de l'équipe, avoir des applications dans des domaines tels que la microbiologie ou de la nanotechnologie.

Via les Bulletins Electroniques