C’est confirmé : des électrons se comportant comme un liquide à travers le graphène ont été observés, atteignant des limites que les physiciens considéraient jusque-là comme fondamentalement impossibles.

Ce type de conductance qu’ont récemment observé les chercheurs, est connue sous le nom de flux « superbalistique » et cette nouvelle expérience suggère que cela pourrait révolutionner le domaine de la conductibilité électrique. Mais ce n’est pas tout. Ces flux super-rapides sont le résultat des électrons qui rebondissent les uns sur les autres. Pourtant, il s’agit d’un phénomène qui, selon la physique que nous connaissons, devrait ralentir la conductivité, et non le contraire.

Alors, que se passe-t-il réellement ? Pendant des décennies, les scientifiques ont spéculé que, dans certaines conditions, les électrons pourraient cesser de se comporter en tant que particules individuelles et se heurter les uns aux autres de manière si violente qu’ils pourraient se comporter comme un fluide visqueux, avec toutes sortes de propriétés uniques.

Mais ce n’est que l’année dernière que les chercheurs ont confirmé ce phénomène, démontrant pour la toute première fois que, même à température ambiante, les électrons dans le graphène pouvaient agir comme un fluide 100 fois plus visqueux que le miel, ce que les scientifiques qualifiaient alors de « étrangeté quantique découlant du mouvement collectif des électrons ».

À présent, cette même équipe, dirigée par Andre Geim, physicien à l’Université de Manchester (UK) et qui a remporté le Prix Nobel de physique en 2010 pour son travail caractérisant le graphène, a démontré que ce phénomène d’électron « liquide » est encore plus intriguant que nous ne le pensions.

En découvrant ce comportement semblable à un fluide, les chercheurs ont pu observer des électrons dans le graphène qui sont parvenus à franchir une limite fondamentale concernant le comportement des électrons dans un métal normal, soit la limite imposée par le principe de Landauer.

Il s’agit d’une première confirmation expérimentale démontrant à quel point un tout nouveau type de physique pourrait être prometteur, et surtout, cela suggère également que nous pourrions bientôt réussir à transporter l’électricité à travers des matériaux ayant une résistance proche de zéro. Actuellement, il s’agit d’une capacité que les supraconducteurs peuvent posséder, mais cette dernière n’émerge qu’à des températures extrêmement basses, en dessous de 5.8 K (soit -267 °C).

Mais dans cette dernière étude, les scientifiques ont pu observer ce flux dit « superbalistique » au sein du graphène à une température relativement élevée de 150 K (-123 °C). En fait, la résistance diminuait au fur et à mesure que la température augmentait, contrairement à ce que nous aurions pu penser.

Bien entendu, il ne s’agit pour l’instant que d’une étude, et d’autres équipes de scientifiques indépendantes devront à présent vérifier ces résultats. Mais trouver un moyen de conduire l’électricité de manière plus efficace et à des températures plus élevées, est l’un des objectifs des physiciens à travers le monde depuis quelques temps déjà. En effet, cela ouvrirait la voie à des innovations majeures, telles que des ordinateurs extrêmement efficaces, ou à des réseaux électriques ne perdant pas plus de 7 % de leur énergie sous forme de chaleur par exemple.

Mais pour les scientifiques, la réelle percée ici, est le fait qu’il s’agisse de l’une des premières explorations détaillées de ce nouveau type de comportement « liquide » qu’adoptent les électrons dans le graphène. Ce qui est si étrange, c’est que ce genre de flux d’électrons est contradictoire quant à tout ce que nous connaissons sur la conductance électrique : qui stipule que plus les électrons se dispersent, moins le matériau est conducteur.

Le graphène est déjà beaucoup plus conducteur que le cuivre par exemple : sa structure 2D soignée possède bien moins d’imperfections que les métaux ordinaires, de sorte que les électrons qui le traversent se dispersent moins et se déplacent plus rapidement, un phénomène connu sous le nom de « Ballistic conduction ».

Mais, c’est le contraire qui se produit lorsque les électrons commencent à travailler ensemble et qu’ils se comportent comme un fluide. Ce qui, comme l’a démontré cette dernière étude, permet de débloquer ce fameux « flux superbalistique ». « Nous savons depuis qu’on nous l’a expliqué à l’école qu’un désordre supplémentaire crée toujours une résistance électrique plus importante », annonce Geim. Mais, « dans notre cas, le désordre induit par la diffusion d’électrons, diminue la résistance plutôt que de l’augmenter », explique-t-il. « C’est unique et quelque peu contradictoire : les électrons qui se comportent comme un liquide se propagent plus rapidement que s’ils étaient libres », ajoute Geim.

Comment est-ce que cela fonctionne ? Parfois, lorsque les électrons entrent en collision les uns avec les autres, au lieu d’accroître la résistance, ils peuvent réellement travailler ensemble et faciliter le flux du courant. Si vous imaginez les cristaux du graphène en tant que canal que les électrons doivent traverser, c’est lorsque les électrons rebondissent sur les bords dudit canal que ces derniers ralentissent le plus, et perdent de l’élan.

Cependant, dans ce comportement fluide, certains électrons restent près du bord et empêchent d’autres électrons de se heurter à ces endroits et de ralentir. En conséquence, certains électrons deviennent superbalistiques lorsqu’ils sont guidés à travers les canaux du graphène, en rebondissant contre d’autres électrons. Un processus similaire se produit dans les rivières et les fleuves par exemple : le courant est plus rapide au milieu.

Geim et son équipe qualifient cette nouvelle propriété physique, la « conductance visqueuse ». Et comme il s’agit de l’une des toutes premières études réalisées sur ces capacités, et comment elles ont franchi des limites physiques majeures, il est certain que nous en entendront parler davantage prochainement.

Sources : Nature Physics, Manchester University

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