réalité subatomique

Des chercheurs font une découverte importante sur le ferromagnétisme

Une équipe de chercheurs japonais vient de réaliser une percée majeure dans le domaine de la physique quantique. Leurs travaux démontrent en effet que le ferromagnétisme, un état ordonné des atomes, peut être provoqué par une augmentation de la motilité des particules, et que les forces répulsives entre les atomes sont suffisantes pour le maintenir. Voici pourquoi c'est important.

Qu’est-ce que le ferromagnétisme ?

Chaque atome d’un matériau ferromagnétique est comme un petit aimant microscopique. Imaginez alors chacun de ces atomes avec son propre nord et son propre sud magnétiques.

Normalement, ces minuscules aimants sont en proie au chaos, pointant dans toutes les directions possibles, rendant leurs effets magnétiques mutuellement insignifiants. C’est un peu comme si une foule de personnes se promenait dans toutes les directions, chacune ayant son propre itinéraire, rendant difficile de discerner une tendance générale.

Cependant, lorsque vous refroidissez ce matériau en dessous d’une température spécifique très froide, appelée température de Curie, quelque chose de magique se produit : chaque personne de cette même foule commence soudainement à suivre le même chemin, comme si elles suivaient un chef de file invisible.

Dans le monde des atomes, cela se traduit par tous les petits aimants s’alignant dans une direction commune. C’est comme si une armée d’aimants se mettait en formation, tous pointant dans la même direction avec un but commun.

Vous venez alors de créer un champ magnétique global. Cette unification des orientations magnétiques crée en effet une aimantation macroscopique que vous pouvez ressentir lorsque vous approchez un objet aimanté à proximité. C’est ce qu’on appelle le ferromagnétisme.

De nombreuses applications

On ne s’en pas forcément compte, mais ce phénomène est à la base de nombreuses technologies modernes et a un impact significatif sur notre vie quotidienne.

Pensez aux aimants sur nos réfrigérateurs, par exemple. Ils sont là, fidèles et puissants, tenant en place des photos, des listes de courses et autres souvenirs. Tout cela est rendu possible grâce à la capacité du ferromagnétisme à maintenir un champ magnétique stable, permettant aux aimants de s’attacher fermement aux surfaces métalliques.

Et que dire de nos haut-parleurs ? Ces merveilles de l’ingénierie audio tirent en effet parti du ferromagnétisme pour produire des sons que nous pouvons entendre et ressentir. Lorsque le courant électrique traverse la bobine d’un haut-parleur, il crée un champ magnétique qui interagit avec un aimant permanent, provoquant le mouvement d’un diaphragme. Ce mouvement génère alors des ondes sonores qui nous enveloppent de musique, de voix et d’effets sonores, donnant vie à nos films, chansons et podcasts préférés.

Les scanners d’IRM sont un autre exemple. Ces dispositifs révolutionnaires exploitent en effet les propriétés magnétiques des tissus corporels pour produire des images détaillées de nos organes, de nos muscles et même de notre cerveau. En appliquant un champ magnétique puissant et des ondes radio, les atomes d’hydrogène dans notre corps s’alignent et émettent des signaux détectés par l’appareil, permettant la création d’images en coupe transversale de notre anatomie interne.

Vous l’avez compris, en comprenant mieux les mécanismes sous-jacents du ferromagnétisme, les scientifiques peuvent donc exploiter cette connaissance pour développer de nouvelles technologies et améliorer celles qui existent déjà.

Cela étant dit, plus récemment, des chercheurs japonais ont fait une découverte qui étend notre compréhension de ce phénomène à des conditions et des mécanismes jusque-là inconnus.

L’ordre naît aussi du mouvement

Comme dit plus haut, traditionnellement, on pensait que le ferromagnétisme pouvait être induit par des températures très froides, où les atomes seraient suffisamment calmes pour s’aligner dans une direction commune. Ici, les scientifiques ont démontré que cet état ordonné des atomes peut également être provoqué par une augmentation de la motilité des particules.

En d’autres termes, lorsque les particules deviennent plus mobiles, les forces répulsives entre les atomes peuvent les organiser dans un état magnétique ordonné.

Cela représente une avancée majeure dans le domaine de la physique quantique, car cela élargit le concept de matière active aux systèmes quantiques.

Notez que la matière active est un état dans lequel des agents individuels s’auto-organisent et se déplacent de manière organisée sans besoin d’un contrôleur externe. Ce concept a été étudié à différentes échelles, de l’échelle nanométrique à l’échelle des animaux, mais son application au domaine quantique était jusqu’ici peu explorée.

Pour ces travaux, l’équipe dirigée par Kazuaki Takasan et Kyogo Kawaguchi, de l’Université de Tokyo, a développé un modèle théorique dans lequel les atomes imitent le comportement des agents de la matière active, comme les oiseaux en troupeau. Lorsqu’ils ont augmenté la motilité des atomes, les forces répulsives entre eux les ont réorganisés dans un état ordonné de ferromagnétisme.

Cela signifie que les spins, le moment cinétique des particules et des noyaux subatomiques, se sont alignés dans une direction, tout comme les oiseaux en troupeau font face à la même direction lorsqu’ils volent.

Image schématique du ferromagnétisme induit par l’activité dans la matière active quantique. Ici, les atomes en mouvement avec des spins présentent l’ordre ferromagnétique (c’est-à-dire s’alignant dans une direction) comme une volée d’oiseaux représentée ci-dessus. Crédits : Takasan et al 2024

Quelles implications ?

Ce résultat, obtenu par une combinaison de simulations informatiques, de théories du champ moyen et de preuves mathématiques, élargit notre compréhension de la physique quantique et ouvre de nouvelles voies de recherche pour explorer les propriétés magnétiques des matériaux à des échelles microscopiques.

Cette découverte pourrait notamment avoir un impact significatif sur le développement de nouvelles technologies basées sur les propriétés magnétiques des particules.

Par exemple, la mémoire magnétique est une technologie largement utilisée dans les dispositifs de stockage de données, tels que les disques durs et les bandes magnétiques. En comprenant mieux les mécanismes qui sous-tendent le ferromagnétisme, les scientifiques pourraient alors concevoir des matériaux magnétiques plus efficaces et plus économes en énergie pour ces applications, ce qui pourrait conduire à des capacités de stockage accrues et à des temps d’accès plus rapides pour les données.

De plus, l’informatique quantique est un domaine en plein essor qui exploite les propriétés quantiques des particules pour effectuer des calculs à une vitesse beaucoup plus rapide que les ordinateurs classiques. Les qubits, les unités de calcul de l’informatique quantique, peuvent être réalisés à l’aide de diverses plateformes, y compris des systèmes magnétiques.

La capacité de contrôler et de manipuler le ferromagnétisme à l’échelle des particules pourrait donc ouvrir de nouvelles voies pour la réalisation et la manipulation de qubits magnétiques, ce qui pourrait contribuer à la réalisation de l’informatique quantique à grande échelle.

Ce ne sont ici que des exemples. Le point à retenir est qu’en comprenant mieux les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène, les scientifiques pourraient être en mesure de concevoir des matériaux magnétiques plus efficaces pour beaucoup d’applications.

 

Auteur: Internet

Info: https://www.science-et-vie.com - 5 mai 2024, Brice Louvet, Source : Physical Review Research.

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neuroscience

La conscience est un continuum et les scientifiques commencent à le mesurer

Une nouvelle technique aide les anesthésiologistes à suivre les changements dans les états de conscience

Que signifie être conscient ? Les gens réfléchissent et écrivent sur cette question depuis des millénaires. Pourtant, de nombreux aspects de l’esprit conscient restent un mystère, notamment la manière de le mesurer et de l’ évaluer. Qu'est-ce qu'une unité de conscience ? Existe-t-il différents niveaux de conscience ? Qu'arrive-t-il à la conscience pendant le sommeil, le coma et l'anesthésie générale ?

En tant qu’anesthésiologistes, nous réfléchissons souvent à ces questions. Nous promettons chaque jour aux patients qu’ils seront déconnectés du monde extérieur et de leurs pensées intérieures pendant l’opération, qu’ils ne conserveront aucun souvenir de l’expérience et qu’ils ne ressentiront aucune douleur. Ainsi, l’anesthésie générale a permis d’énormes progrès médicaux, depuis les réparations vasculaires microscopiques jusqu’aux greffes d’organes solides.

En plus de leur impact considérable sur les soins cliniques, les anesthésiques sont devenus de puissants outils scientifiques pour sonder les questions relatives à la conscience. Ils nous permettent d’induire des changements profonds et réversibles dans les états de conscience et d’étudier les réponses cérébrales lors de ces transitions.

Mais l’un des défis auxquels sont confrontés les anesthésiologistes est de mesurer la transition d’un état à un autre. En effet, bon nombre des approches existantes interrompent ou perturbent ce que nous essayons d'étudier. Essentiellement, l’évaluation du système affecte le système. Dans les études sur la conscience humaine, déterminer si une personne est consciente peut éveiller la personne étudiée, ce qui perturbe cette évaluation même. Pour relever ce défi, nous avons adapté une approche simple que nous appelons la méthode respirer-squeeze. Cela nous offre un moyen d'étudier les changements de l'état de conscience sans les interrompre.

Pour comprendre cette approche, il est utile de considérer quelques enseignements issus d’études sur la conscience qui ont utilisé des anesthésiques. Depuis des décennies, les chercheurs utilisent l’électroencéphalographie (EEG) pour observer l’activité électrique dans le cerveau de personnes recevant divers anesthésiques. Ils peuvent ensuite analyser cette activité avec des lectures EEG pour caractériser les modèles spécifiques à divers anesthésiques, appelés signatures anesthésiques.

Ces recherches révèlent que la plupart des médicaments anesthésiques ralentissent les rythmes cérébraux et augmentent leur taille, effets qui altèrent la communication entre les régions du cerveau. Par exemple, une étude récente a révélé que le propofol, le médicament le plus couramment utilisé pour l’anesthésie générale, perturbe la façon dont les régions du cerveau travaillent généralement ensemble pour traiter les informations sensorielles.

La conscience, comme le révèlent cette recherche et d’autres, n’est pas simplement un système binaire – activé ou désactivé, conscient ou inconscient – ​​mais plutôt quelque chose qui peut englober un continuum de différents états qui impliquent différents types de fonctionnement du cerveau. Par exemple, la conscience peut être connectée à l'environnement par le biais de nos sens et de notre comportement (conscience connectée), comme lors de la plupart de nos heures d'éveil, ou déconnectée de notre environnement (conscience déconnectée), comme lorsque nous rêvons pendant le sommeil.

L’inconscience – comme lorsqu’une personne est dans le coma – est plus difficile à étudier que la conscience connectée ou déconnectée, mais elle est généralement comprise comme un état d’oubli, vide d’expérience subjective ou de mémoire. Lorsque nous préparons un patient à une intervention chirurgicale, nous ajustons les niveaux d’anesthésie pour le rendre inconscient. Lorsqu’une personne est sous anesthésie générale, elle vit un coma temporaire et réversible pendant lequel elle ne ressent aucune douleur et après quoi elle n’aura plus aucun souvenir de son intervention.

Comprendre les transitions entre ces états est essentiel pour garantir des niveaux adéquats d’anesthésie générale et pour éclairer les questions de recherche en anesthésiologie, sur la conscience, le sommeil et le coma. Pour mieux cartographier la transition hors de la conscience connectée, nous avons récemment adapté une nouvelle approche pour surveiller la capacité d'une personne à générer des comportements volontaires sans incitation externe.

Généralement, les chercheurs suivent le début de la sédation en émettant des commandes verbales et en enregistrant les réponses comportementales. Par exemple, un scientifique peut périodiquement demander à quelqu’un d’ouvrir les yeux ou d’appuyer sur un bouton tout en recevant une perfusion anesthésique. Une fois que la personne cesse de répondre à cette commande, le scientifique suppose qu’elle a perdu la conscience connectée.

Cette technique s’est avérée utile pour contraster l’esprit conscient connecté et déconnecté. Mais lorsqu’il s’agit de comprendre la transition entre ces états, il y a plusieurs inconvénients. D’une part, le signal auditif n’est pas standardisé : l’inflexion et le volume de la voix, ce qui est dit et la fréquence à laquelle il est répété varient d’une étude à l’autre et même au sein d’une même étude. Un problème plus fondamental est que ces commandes peuvent éveiller les gens lorsqu’ils dérivent vers un état de déconnexion. Cette limitation signifie que les chercheurs doivent souvent attendre plusieurs minutes entre l’émission de commandes verbales et l’évaluation de la réponse, ce qui ajoute de l’incertitude quant au moment exact de la transition.

Dans notre étude, nous souhaitions une approche plus sensible et précise pour mesurer le début de la sédation sans risquer de perturber la transition. Nous nous sommes donc tournés vers une méthode décrite pour la première fois en 2014 par des chercheurs sur le sommeil du Massachusetts General Hospital et de l’Université Johns Hopkins. Dans ce travail, les enquêteurs ont demandé aux participants de serrer une balle à chaque fois qu'ils inspiraient. Les chercheurs ont suivi les pressions de chaque personne à l'aide d'un dynamomètre, un outil pour mesurer la force de préhension, et d'un capteur électromyographique, qui mesure la réponse musculaire. De cette façon, ils ont pu suivre avec précision le processus d’endormissement sans le perturber.

Pour notre étude, nous avons formé 14 volontaires en bonne santé à cette même tâche et présenté l’exercice de respiration en pressant comme une sorte de méditation de pleine conscience. Nous avons demandé aux participants de se concentrer sur leur respiration et de serrer un dynamomètre portatif chaque fois qu'ils inspirent. Après quelques minutes d'entraînement pour chaque personne, nous avons placé un cathéter intraveineux dans son bras pour administrer le sédatif et installé des moniteurs de signes vitaux et un équipé d'un capuchon EEG à 64 canaux pour enregistrer les ondes cérébrales tout au long de l'expérience.

Tous les participants ont synchronisé de manière fiable leurs pressions avec leur respiration pendant une période de référence initiale sans aucune sédation. Ils ont ensuite reçu une perfusion lente de dexmédétomidine, un sédatif couramment utilisé dans les salles d'opération et les unités de soins intensifs. À mesure que les concentrations cérébrales de dexmédétomidine augmentaient, les participants manquaient parfois une pression ou la prenaient au mauvais moment. Finalement, ils ont complètement arrêté de serrer.

Après quelques tests supplémentaires, nous avons arrêté la perfusion de dexmédétomidine, permettant ainsi aux participants de se remettre de la sédation. À notre grand étonnement, après une période de 20 à 30 minutes, tout le monde s'est souvenu de la tâche et a commencé à serrer spontanément en synchronisation avec sa respiration, sans aucune incitation. Cela nous a permis d'analyser à la fois le moment du début et du décalage de la sédation et de les comparer avec des études antérieures utilisant des commandes verbales pour évaluer la conscience.

La tâche de respiration et de compression est donc clairement une approche plus sensible pour mesurer la transition hors de la conscience connectée. Les participants ont arrêté d'effectuer la tâche à des concentrations de dexmédétomidine inférieures à celles auxquelles les personnes avaient cessé de répondre aux signaux auditifs dans d'autres études, soulignant les effets excitants des signaux externes sur le système. Ces résultats peuvent également indiquer que la conscience connectée peut être décomposée en comportements générés en interne (comme se rappeler de serrer une balle pendant que vous inspirez) et en comportements provoqués de l'extérieur (comme répondre à des commandes verbales) avec des points de transition distincts - une idée qui affine notre compréhension du continuum de la conscience.

Des recherches antérieures ont caractérisé l'apparence du cerveau dans des états de conscience connectée et déconnectée. Nous savions donc généralement à quoi s'attendre des enregistrements EEG. Mais nous étions moins sûrs de la façon dont notre technique pourrait s’aligner sur la transition cérébrale entre les états de conscience. Nous avons découvert un schéma très clair de changements dans le cerveau lorsque les gens arrêtent de serrer le ballon. De plus, nous n’avons vu aucune preuve que la tâche de compression perturbe l’état de conscience des personnes. L'EEG a également révélé un calendrier beaucoup plus précis pour ce changement que les travaux antérieurs, identifiant la transition dans une période environ 10 fois plus courte que ce qui était possible avec les signaux auditifs - une fenêtre de cinq à six secondes au lieu des 30 secondes. - à un intervalle de 120 secondes qui était courant dans les travaux antérieurs.

Comme avantage supplémentaire, nous avons été ravis de découvrir que de nombreux participants à notre étude appréciaient la tâche de respiration pressée comme moyen de se concentrer sur l'apaisement de leur esprit et de leur corps. Pour cette raison, nous avons également mis en œuvre la méthode dans la pratique clinique, c’est-à-dire en dehors d’études soigneusement contrôlées, lors de l’induction d’une anesthésie générale lors d’interventions chirurgicales majeures, qui peuvent autrement être une expérience stressante pour les patients.

Nous nous appuyons désormais sur ce travail en analysant nos données EEG, ainsi que les données d'imagerie par résonance magnétique structurelle (IRM) de nos volontaires. Ces connaissances sur le passage d’une conscience connectée à une conscience déconnectée peuvent aider à éclairer les soins cliniques des patients nécessitant une anesthésie pour une intervention chirurgicale, ainsi que de ceux qui souffrent de troubles du sommeil ou de coma. Ces études nous mettent également au défi de nous attaquer aux aspects plus philosophiques de la conscience et pourraient ainsi éclairer la question fondamentale de ce que signifie être conscient.

Auteur: Internet

Info: 26 janv, 2024    Christian Guay et Emery Brown

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