L'Institut conjoint de hautes températures de l'Académie des sciences de Russie découvre une nouvelle transition de phase dans le plasma de césium : saut brutal de conductivité électrique et présence rare d'un double point critique

L'équipe de recherche de l'Institut conjoint de hautes températures de l'Académie des sciences de Russie (JIHT RAS / ОИВТ РАН) a réalisé une avancée physique importante dans l'étude des états extrêmes de haute température et haute pression : les chercheurs ont découvert l'existence, dans le césium (Cesium) à l'état de plasma dense, d'un processus de transition de phase jusqu'alors non décrit, accompagné d'une variation brutale et par sauts de la conductivité électrique.

Cette étude se concentre sur le comportement physique microscopique de la matière dans une plage de températures de 500 à 20 000 kelvins (K) et de pressions extrêmes allant d'environ 1 hectopascal (hPa) à plusieurs térapascals (TPa). Dans des conditions extrêmes aussi sévères, la distance interatomique est fortement comprimée, la matière subit de multiples ionisations profondes, et les critères traditionnels de classification en états solide, liquide et gazeux ne permettent plus de décrire précisément ses propriétés d'état. L'institution de recherche souligne particulièrement que cette découverte n'est pas une transition d'ionisation conventionnelle d'une matière ordinaire vers l'état plasma, mais une transition entre deux états physiques totalement différents au sein d'un plasma dense à haute densité déjà formé.

L'équipe de recherche a capturé cet effet physique grâce à la méthode de simulation par dynamique moléculaire quantique (Quantum Molecular Dynamics, QMD). Les données de simulation montrent que le césium présente, au cours de la compression, deux états atomiques intermédiaires dont les pressions sont presque identiques mais dont les propriétés conductrices sont radicalement différentes. Ce processus de transition de phase se produit entièrement à l'intérieur de la zone de haute densité à ionisations multiples, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un saut entre deux phases de structures microscopiques différentes au sein de l'état de plasma dense.

Le chercheur de l'Institut conjoint de hautes températures Alexey Filatkin souligne que, dans la région de la matière tiède et dense, extrêmement difficile à reproduire en laboratoire et difficile à décrire précisément par les théories traditionnelles, ce résultat élargit la compréhension scientifique des propriétés fondamentales de la matière à ionisations multiples dans des conditions extrêmes. Cette transition de phase constitue un phénomène physique totalement indépendant, distinct des processus conventionnels connus de fusion solide-liquide ou d'évaporation liquide-gaz.

Fait particulièrement remarquable, les chercheurs ont calculé et déterminé les coordonnées paramétriques de deux points critiques (Critical Points) sur le diagramme de phase de cette transition. En dehors de cette plage de paramètres critiques, l'état de coexistence des deux phases devient totalement instable. Les auteurs de l'article soulignent particulièrement que, dans un système de substance pure constituée d'un seul élément chimique, la présence simultanée de deux points critiques sur une ligne d'équilibre de phases n'avait jusqu'alors aucun précédent dans la communauté physique.

Cette percée revêt une valeur théorique fondamentale importante pour la physique des hautes densités d'énergie (High Energy Density Physics), la modélisation des processus d'interaction entre lasers intenses et matière, ainsi que l'analyse de la réponse dynamique des ions lourds rapides traversant un milieu. Elle fournira un nouveau soutien théorique pour l'étude de l'environnement interne des étoiles denses en astrophysique et des comportements anormaux d'état de la matière dans des conditions cosmiques extrêmes.