Des physiciens découvrent un nouveau type de “métal étrange”.

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Une équipe de physiciens des États-Unis et de Chine a détecté les signatures inattendues d’un métal étrange dans un matériau où la charge électrique n’est pas transportée par des électrons, mais par des entités plus “ondulatoires” appelées paires de Cooper.

Image de microscopie électronique à balayage d'un film mince de YBa2Cu3O7-δ (YBCO) nanométrique. Le film mince d'YBCO nanopatterné de 12 nm d'épaisseur a été fabriqué par gravure ionique réactive à travers une membrane d'oxyde d'aluminium anodique (AAO) placée directement sur l'YBCO. Par RIE, le motif en oxyde d'aluminium anodisé d'un réseau triangulaire de trous d'un diamètre de ~70-nm et d'une période de ~103-nm a été dupliqué sur le film YBCO. Crédit image : Yang et al., doi : 10.1038/s41586-021-04239-y.

Image de microscopie électronique à balayage d’un film YBa2Cu3O7-δ (YBCO). Le film mince de YBCO à nanopatternes de 12 nm d’épaisseur a été fabriqué par gravure ionique réactive à travers une membrane d’oxyde d’aluminium anodique (AAO) placée directement au-dessus du YBCO. Par RIE, le motif en oxyde d’aluminium anodisé d’un réseau triangulaire de trous d’un diamètre de ~70-nm et d’une période de ~103-nm a été dupliqué sur le film YBCO. Crédit image : Yang et al., doi : 10.1038/s41586-021-04239-y.

Les métaux étranges, également connus sous le nom de liquides non-Fermi, sont une classe de matériaux qui ne suivent pas les règles électriques traditionnelles.

Leur comportement a été découvert pour la première fois il y a environ 30 ans dans des matériaux appelés cuprates.

Ces matériaux à base d’oxyde de cuivre sont surtout connus pour être des supraconducteurs à haute température, c’est-à-dire qu’ils conduisent l’électricité avec une résistance nulle à des températures bien supérieures à celles des supraconducteurs normaux.

Mais même à des températures supérieures à la température critique de la supraconductivité, les cuprates se comportent étrangement par rapport aux autres métaux. Lorsque leur température augmente, la résistance des cuprates augmente de manière strictement linéaire.

Dans les métaux normaux, la résistance n’augmente que jusqu’à un certain point, devenant constante à haute température, conformément à ce que l’on appelle la théorie du liquide de Fermi.

La résistance apparaît lorsque les électrons qui circulent dans un métal se heurtent à la structure atomique vibrante du métal, ce qui entraîne leur dispersion.

La théorie de Fermi-liquide fixe un taux maximum auquel la diffusion des électrons peut se produire. Mais les métaux étranges ne suivent pas les règles de Fermi-liquide, et personne ne sait exactement comment ils fonctionnent.

Ce que les physiciens savent, c’est que la relation température-résistance dans les métaux étranges semble être liée à deux constantes fondamentales de la nature : La constante de Boltzmann, qui représente l’énergie produite par le mouvement thermique aléatoire, et la constante de Planck, qui se rapporte à l’énergie d’un photon.

“Pour essayer de comprendre ce qui se passe dans ces métaux étranges, les gens ont appliqué des approches mathématiques similaires à celles utilisées pour comprendre les trous noirs”, a déclaré le Dr Valles.

“Il y a donc une physique très fondamentale qui se passe dans ces matériaux”.

Ces dernières années, le Dr Valles et ses collègues ont étudié l’activité électrique dans laquelle les porteurs de charge ne sont pas des électrons.

En 1952, le lauréat du prix Nobel Leon Cooper a découvert que dans les supraconducteurs normaux, les électrons s’associent pour former des paires de Cooper, qui peuvent glisser à travers un réseau atomique sans résistance.

Bien qu’elles soient formées par deux électrons, qui sont des fermions, les paires de Cooper peuvent agir comme des bosons.

“Les systèmes de fermions et de bosons se comportent généralement très différemment. Contrairement aux fermions individuels, les bosons sont autorisés à partager le même état quantique, ce qui signifie qu’ils peuvent se déplacer collectivement comme les molécules d’eau dans les ondulations d’une vague”, a déclaré le Dr Valles.

En 2019, les chercheurs ont montré que les bosons de la paire de Cooper peuvent produire un comportement métallique, ce qui signifie qu’ils peuvent conduire l’électricité avec une certaine résistance.

C’était en soi une découverte surprenante, car des éléments de la théorie quantique suggéraient que le phénomène ne devrait pas être possible.

Pour cette dernière recherche, les scientifiques ont voulu voir si les métaux bosoniques à paires de Cooper étaient également des métaux étranges.

Ils ont utilisé un matériau cuprate appelé oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre avec des trous minuscules qui induisent l’état métallique de la paire de Cooper.

Ils ont ensuite refroidi le matériau juste au-dessus de sa température de supraconduction pour observer les changements dans sa conductance.

Ils ont trouvé, comme les métaux étranges fermioniques, une conductance métallique à paires de Cooper qui est linéaire avec la température.

“C’est un défi pour les théoriciens de trouver une explication pour ce que nous voyons dans les métaux étranges “, a déclaré le Dr Valles.

“Notre travail montre que si l’on veut obtenir une conductivité linéaire en fonction de la température, il faut d’abord trouver une explication.modéliser le transport de charges dans les métaux étranges, ce modèle doit s’appliquer à la fois aux fermions et aux bosons – même si ces types de particules suivent des règles fondamentalement différentes.”

Les nouveaux résultats sont publiés dans le journal Nature.

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