Transition quantique : quand le deutérium brise la symétrie

L’hydroxyde de sodium (NaOH), ou soude anhydre, ne présente pas de transition de phase à basse température. En remplaçant l’hydrogène par du deutérium (D), une transition apparaît à 153K entre deux structures cristallines distinctes, avec une forte dilatation (>5%). À température ambiante, les structures de NaOD et NaOH deviennent très similaires. Cette transition spectaculaire induite par échange isotopique, détectée en 1985, n’avait jamais été expliquée : généralement, en matière condensée, les noyaux sont considérés comme des objets classiques (au contraire des électrons, quantiques) et dans ce cadre, les propriétés statistiques sont insensibles aux isotopes. Des chercheurs de l’INSP sont parvenus à élucider ce phénomène, à l’aide d’une description quantique des noyaux.

La structure NaOH/D. Dans NaOH, les fluctuations quantiques interdisent la formation de liaisons hydrogène et les groupes OH oscillent autour de la verticale. Le deutérium, bien que chimiquement équivalent est plus lourd donc «moins quantique». Son énergie de point zéro (ZPE) est inférieure à la barrière, les groupes OD sont piégés dans un des puits de potentiel et forment des liaisons hydrogène qui assurent la cohésion du cristal… jusqu’à ce que les fluctuations thermiques prennent le relais !