Les scientifiques ont identifié un mécanisme qui explique les propriétés caractéristiques des "métaux étranges".

17 août 2023

Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont souligné les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

vérification des faits

publication évaluée par des pairs

corrigé

par la 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, les 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 sur les raisons pour lesquelles 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 métallique étrange se retrouve dans de nombreux matériaux quantiques, dont certains qui, avec de petits changements, peuvent devenir des supraconducteurs (matériaux dans lesquels les électrons circulent avec une résistance nulle 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 sur les métaux étranges, comme pourquoi le changement de résistivité électrique - une mesure de la facilité avec laquelle les électrons peuvent traverser 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 mieux au flux d'électrons qu'un métal ordinaire tel que l'or ou le cuivre à la même température.

La nouvelle théorie est basée sur une combinaison de deux propriétés de métaux étranges. Premièrement, leurs électrons peuvent s'enchevêtrer mécaniquement quantique les uns avec les autres, liant leur destin, et ils restent intriqués même lorsqu'ils sont éloignés. Deuxièmement, les métaux étranges ont un arrangement d'atomes non uniforme, semblable à un patchwork.

Ni l'une ni l'autre de ces propriétés n'explique à elles seules les bizarreries des métaux étranges, mais pris 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 enchevêtrements d'électrons varient en fonction de l'endroit où l'enchevêtrement a eu lieu dans le matériau. Cette variété ajoute du caractère aléatoire à l'élan des électrons lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau et interagissent les uns avec les autres. Au lieu de circuler ensemble, les électrons se heurtent dans toutes les directions, ce qui entraîne une résistance électrique. Étant donné que les électrons se heurtent plus fréquemment, plus le matériau devient chaud, la résistance électrique augmente parallèlement à la température.

«Cette interaction d'enchevêtrement et de non-uniformité est un nouvel effet; cela n'avait jamais été envisagé auparavant pour aucun matériau », déclare 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 dit 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 ne le fait 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 est en concurrence et laisser la voie libre à la supraconductivité."

Maintenant que les métaux étranges sont un peu moins étranges, 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.

Patel a co-écrit la nouvelle étude avec Haoyu Guo, Ilya Esterlis et Subir Sachdev de l'Université de Harvard

Informations sur la revue : Sciences

Fourni par la Fondation Simons