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Jan 12, 2024

Les scientifiques identifient un mécanisme qui explique les propriétés caractéristiques des « métaux étranges »

17 août 2023 Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

17 août 2023

Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

faits vérifiés

publication évaluée par des pairs

relire

par Fondation Simons

Depuis près de 40 ans, des matériaux appelés « métaux étranges » ont déconcerté les physiciens quantiques, défiant toute explication en fonctionnant en dehors des règles normales de l’électricité.

Aujourd'hui, des recherches menées par Aavishkar Patel du Centre de physique quantique computationnelle (CCQ) du Flatiron Institute à New York ont ​​enfin identifié un mécanisme qui explique les propriétés caractéristiques des métaux étranges.

Dans le numéro du 18 août de Science, Patel et ses collègues présentent leur théorie universelle expliquant pourquoi les métaux étranges sont si étranges : une solution à l'un des plus grands problèmes non résolus de la physique de la matière condensée.

Un comportement étrange des métaux se retrouve dans de nombreux matériaux quantiques, y compris certains qui, avec de légères modifications, peuvent devenir des supraconducteurs (des matériaux dans lesquels les électrons circulent sans résistance à des températures suffisamment basses). Cette relation suggère que la compréhension des métaux étranges pourrait aider les chercheurs à identifier de nouveaux types de supraconductivité.

La nouvelle théorie, étonnamment simple, explique de nombreuses bizarreries concernant les métaux étranges, comme par exemple pourquoi le changement de résistivité électrique – une mesure de la facilité avec laquelle les électrons peuvent circuler à travers le matériau sous forme de courant électrique – est directement proportionnel à la température, même jusqu'à des températures extrêmement basses. Cette relation signifie qu’un métal étrange résiste plus au flux d’électrons qu’un métal ordinaire comme l’or ou le cuivre, à la même température.

La nouvelle théorie repose sur une combinaison de deux propriétés de métaux étranges. Premièrement, leurs électrons peuvent s’entremêler mécaniquement quantiquement, ce qui lie leur destin, et ils restent intriqués même lorsqu’ils sont éloignés. Deuxièmement, les métaux étranges ont une disposition d’atomes non uniforme, semblable à un patchwork.

Aucune de ces propriétés n'explique à elle seule les bizarreries des métaux étranges, mais ensemble, "tout se met en place", explique Patel, qui travaille comme chercheur Flatiron à la CCQ.

L'irrégularité de la disposition atomique d'un métal étrange signifie que les intrications électroniques varient en fonction de l'endroit où l'intrication a eu lieu dans le matériau. Cette variété ajoute du caractère aléatoire à l’élan des électrons lorsqu’ils se déplacent dans le matériau et interagissent les uns avec les autres. Au lieu de circuler tous ensemble, les électrons se heurtent dans toutes les directions, ce qui entraîne une résistance électrique. Étant donné que les électrons entrent en collision plus fréquemment, plus le matériau devient chaud, la résistance électrique augmente parallèlement à la température.

"Cette interaction entre enchevêtrement et non-uniformité est un effet nouveau ; il n'avait jamais été envisagé auparavant pour aucun matériau", explique Patel. "Rétrospectivement, c'est une chose extrêmement simple. Pendant longtemps, les gens ont compliqué inutilement toute cette histoire de métaux étranges, et ce n'était tout simplement pas la bonne chose à faire."

Patel affirme qu'une meilleure compréhension des métaux étranges pourrait aider les physiciens à développer et à affiner de nouveaux supraconducteurs pour des applications telles que les ordinateurs quantiques.

"Il y a des cas où quelque chose veut devenir supraconducteur mais n'y parvient pas tout à fait, parce que la supraconductivité est bloquée par un autre État concurrent", dit-il. "On pourrait alors se demander si la présence de ces non-uniformités peut détruire ces autres états avec lesquels la supraconductivité entre en concurrence et laisser la voie ouverte à la supraconductivité."

Maintenant que les métaux étranges le sont un peu moins, le nom peut sembler moins approprié qu’il ne l’était autrefois. "Je voudrais les appeler des métaux inhabituels à ce stade, pas étranges", déclare Patel.