Une nouvelle découverte pourrait aider les scientifiques à comprendre les “métaux étranges”, une catégorie de matériaux liés aux supraconducteurs à haute température et partageant des attributs quantiques fondamentaux avec les trous noirs.
Les scientifiques comprennent assez bien comment la température affecte la conductivité électrique de la plupart des métaux courants comme le cuivre ou l’argent. Mais ces dernières années, les chercheurs se sont intéressés à une catégorie de matériaux qui ne semblent pas suivre les règles électriques traditionnelles. La compréhension de ces “métaux étranges” pourrait fournir des informations fondamentales sur le monde quantique et aider les scientifiques à comprendre des phénomènes étranges comme la supraconductivité à haute température.
Aujourd’hui, une équipe de recherche codirigée par un physicien de l’université Brown a ajouté une nouvelle découverte au mélange de métaux étranges. Dans une étude publiée dans la revue Nature , l’équipe a découvert un comportement métallique étrange dans un matériau où la charge électrique est transportée non pas par des électrons, mais par des entités plus “ondulatoires” appelées paires de Cooper.
Alors que les électrons appartiennent à une classe de particules appelées fermions, les paires de Cooper agissent comme des bosons, qui suivent des règles très différentes de celles des fermions. C’est la première fois que l’on observe le comportement d’un métal étrange dans un système bosonique, et les chercheurs espèrent que cette découverte pourrait aider à trouver une explication au fonctionnement des métaux étranges, ce qui échappe aux scientifiques depuis des décennies.
En utilisant un matériau appelé oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre muni de minuscules trous, les chercheurs ont découvert le comportement d’un métal étrange dans un type de système où les porteurs de charge sont des bosons, ce qui n’avait jamais été observé auparavant. Crédit : Université Brown
“Nous avons ces deux types de particules fondamentalement différentes dont les comportements convergent vers un mystère,”a déclaré Jim Valles, professeur de physique à Brown et auteur correspondant de l’étude. “Ce que cela signifie, c’est que toute théorie visant à expliquer le comportement étrange des métaux ne peut être spécifique à aucun des deux types de particules. Elle doit être plus fondamentale que cela.&rdquo ;
Métaux étranges
Le comportement étrange des métaux a été découvert pour la première fois il y a environ 30 ans dans une classe de 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 façon strictement linéaire. Dans les métaux normaux, la résistance n’augmente que dans une certaine mesure, 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 du liquide de Fermi 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 scientifiques 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 (une particule de lumière).
“Pour essayer de comprendre ce qui se passe dans ces étranges métaux, les gens ont appliqué des approches mathématiques similaires à celles utilisées pour comprendre les trous noirs,”dit Valles. Ces dernières années, 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, aujourd’hui professeur émérite de physique à Brown, a découvert que dans les supraconducteurs normaux (et non dans les supraconducteurs à haute température découverts plus tard), 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 de 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 de manière très différente.٥杶+e{6Fjװk/^uǧם6Fjװk/m
