Découverte d’un nouveau « métal étrange », partageant des attributs quantiques avec les trous noirs

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Pour la plupart des métaux courants, tels que le cuivre ou l’argent, la résistivité électrique croît linéairement avec la température. Mais certains métaux particuliers, notamment les supraconducteurs à haute température, ne se comportent pas de cette manière. Ces « métaux étranges » intriguent les scientifiques depuis plusieurs années. Parce qu’ils partagent des attributs quantiques fondamentaux avec les trous noirs, ces métaux pourraient améliorer notre compréhension du monde quantique. Une nouvelle étude pourrait permettre de mieux comprendre leur fonctionnement.

Le comportement des métaux étranges a été découvert il y a une trentaine d’années, dans une classe de matériaux appelés cuprates — des matériaux à base d’oxyde de cuivre connus pour être des supraconducteurs à haute température. Parce que le phénomène n’est pas encore totalement compris, ils sont classés parmi les supraconducteurs dits non conventionnels. Et pour cause : même au-delà de la température critique de la supraconductivité, les cuprates se comportent de manière atypique par rapport aux autres métaux.

Dans un métal standard, lorsque la température augmente, la densité d’électrons de conduction reste constante, mais l’agitation thermique augmente la fréquence des collisions avec la structure atomique du métal, ce qui entraîne leur dispersion. En conséquence, la résistivité d’un métal augmente avec la température. Mais elle n’augmente que jusqu’à un certain point, puis devient constante à haute température — comme prédit par la théorie du liquide de Fermi, qui fixe un taux maximum auquel la diffusion des électrons peut se produire. Dans le cas des cuprates, la résistivité augmente de manière strictement linéaire avec la température. Des chercheurs dévoilent aujourd’hui une nouvelle facette de ces métaux étranges.

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Une charge électrique transportée par des paires de Cooper

En 1952, le lauréat du prix Nobel Leon Cooper — aujourd’hui professeur émérite de physique de l’Université Brown — a découvert que, dans les supraconducteurs standards, les électrons s’associent pour former des paires de Cooper, qui peuvent « glisser » dans un réseau atomique sans aucune résistance. Une paire de Cooper désigne des électrons liés entre eux à basse température ; les électrons sont des fermions (ils possèdent un spin de 1/2), mais les paires de Cooper sont des bosons (de spin entier) et se comportent donc de manière très différente.

« 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 », explique dans un communiqué Jim Valles, professeur de physique à Brown et co-auteur de l’étude. Lors de précédentes recherches, lui et ses collègues ont montré que les bosons de paires de Cooper peuvent produire un comportement métallique, ce qui signifie qu’ils peuvent conduire l’électricité avec une certaine résistance — un phénomène pourtant impossible selon la théorie quantique.

Valles et ses collègues ont donc cherché à déterminer si les métaux bosoniques à paires de Cooper étaient également des métaux étranges. Pour cela, ils ont utilisé un cuprate appelé oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre (YBa2Cu3O7), doté de minuscules trous permettant d’induire la formation de paires de Cooper. Ils ont chauffé puis refroidi ce matériau juste au-dessus de sa température de supraconduction pour observer les changements de sa conductance.

Un modèle qui doit s’appliquer à deux types de particules

Résultat : à l’instar des métaux étranges fermioniques, le matériau affichait une résistance linéaire en fonction de la température et du champ magnétique sur des plages de température et de champ magnétique étendues. C’est la première fois que ce type de comportement est observé dans un système bosonique. « En étendant la portée de la phénoménologie des métaux étranges à un système bosonique, nos résultats suggèrent qu’il existe un principe fondamental régissant leur transport qui transcende les statistiques des particules », notent les auteurs de l’étude.

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À partir d’un cuprate parsemé de minuscules trous, les chercheurs ont observé pour la première fois un comportement de « métal étrange » dans un système bosonique. © Brown University

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Comme expliqué plus haut, il apparaît que les métaux étranges ne suivent pas la théorie du liquide de Fermi, mais les scientifiques ne sont pas encore parvenus à expliciter leur fonctionnement. La relation qui existe entre leur résistivité et la température semble toutefois liée à deux constantes fondamentales : la constante de Boltzmann — qui représente l’énergie produite par un mouvement thermique aléatoire — et la constante de Planck, le coefficient de proportionnalité qui relie l’énergie d’un photon à sa fréquence.

Cette nouvelle découverte constitue ainsi une nouvelle piste à exploiter pour parvenir à caractériser le comportement des métaux étranges. « Si l’on veut 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 », résume Valles.

Une théorie des métaux étranges pourrait fournir des informations fondamentales, qui aideraient à comprendre des phénomènes tels que la supraconductivité à haute température ; ils pourraient alors servir au développement de réseaux électriques sans perte. Et parce que leur comportement repose sur des constantes fondamentales de l’Univers, elle pourrait éclairer bien d’autres facettes du monde physique.

Source : C. Yang et al., Nature

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