L'état plasma est un état de la matière, tout comme l'état solide, l'état liquide ou l'état gazeux, bien qu'il n'y ait pas de transition brusque pour passer d'un de ces états au plasma ou réciproquement. Il est visible sur Terre, à l'état naturel, le plus souvent à haute température, quand l'énergie est telle qu'elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs, dans laquelle « baignent » également des ions ou des noyaux atomiques. Le plasma, localement non-neutre, est très sensible à l'action de champs électrique, magnétique et électromagnétique (internes comme externes) et sa dynamique est en général d'une grande complexité. De plus, les propriétés chimiques de cet état sont assez différentes de celles des autres états ; elles sont parfois dites «exotiques». Les exemples de plasmas les plus courants sur terre sont les flammes de haute température et la foudre.

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière »^[a], a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928, par analogie avec le plasma sanguin. La branche qui l'étudie est la physique des plasmas.

Formation d'un plasma

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne conduit pas l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est considéré comme un isolant électrique parfait, car il ne contient quasiment aucune particule chargée libre (électrons ou ions positifs). Mais des électrons libres et des ions positifs peuvent apparaître en quantité significative si on soumet le gaz à un fort champ électrique (30 kilovolts/centimètre^[1] pour l'air) ou à des températures assez élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense.

Lorsque l’ionisation est suffisamment importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide conducteur qu’on appelle plasma.

Typiquement l'énergie d'ionisation d'un corps est de quelques électronvolts. La température nécessaire pour former un plasma est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique, qui peut être estimée par le produit kT, atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsque kT ≈ 1 eV, soit une température d'environ 11 000 K.

Exemples

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils représentent plus de 99 % de la matière ordinaire^[2]. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, étant donné leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions de température et de pression de l'atmosphère terrestre.

Ainsi, on distingue les plasmas naturels :

• le plasma astrophysique ;
• les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar, pulsar ;
• les aurores boréales ;
• la foudre ;
• l'ionosphère ;
• le vent solaire ;
• la queue des comètes ;
• la traînée des étoiles filantes ;
• le cœur des flammes^[b].

Et les plasmas industriels :

• les décharges électriques (arcs comme dans les disjoncteurs à haute-tension ou les torches, ou d'autres types de décharges comme dans les lampes à gaz, les décharges micro-ondes, ou les générateurs de rayon X) ;
• les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique ;
• dans certains types de téléviseurs ;
• la propulsion par plasmas ;
• la fusion nucléaire (voir aussi Tokamak, Stellarator et Z-pinch).

Il existe de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion, traitement des déchets, stérilisation, etc.).

Plasmas spécifiques et applications

• plasma quarks-gluons, un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans des particules, mais libres ;
• plasma astrophysique, une matière qui représente la grande proportion de l'espace en dehors des galaxies, étoiles et planètes ;
• plasma de fusion, ces types de plasma sont créés avec des lasers par confinement inertiel ;
• plasma stealth, utilisation de plasma (état de la matière) dans la recherche de la furtivité ;
• lampe à plasma, qui utilise la luminosité du plasma ;
• écran à plasma, écran plat dont la lumière est créée par du phosphore excité par une impulsion électrique plasma ;
• torche à plasma, méthode de génération de plasma utilisée dans différentes applications (en chimie, traitement des déchets, etc.) ;
• accélération laser-plasma, méthode de production de faisceaux d'électrons.

Dans la culture populaire

Dans de nombreuses œuvres de sciences fiction, telle que Star Wars, Halo et Transformers, le plasma et les plasmoïdes sont à la base d'armes imaginaires, souvent similaires au focalisateur de plasma dense (« canon à plasma »).

Durant les années 2010, la création de plasma à partir de raisins chauffés dans un four à micro-ondes domestique est devenue une expérience populaire répandue, qui a donné lieu à de nombreuses vidéos devenues virales sur la plateforme YouTube. En 2019, ce phénomène a été expliqué de manière rigoureuse^[3]. Les raisins étant assimilables à de petite sphères abritant une forte teneur en eau, la longueur des micro-ondes auxquelles on les expose est modifiée et l'énergie se concentre au centre du fruit. Lorsque deux raisins ainsi irradiés sont placés côte à côte, un transfert d'électron se produit dans le petit espace qui sépare les deux fruits, ce qui produit l'apparition de plasma.