L’électricité se déplace comme un liquide dans ces « métaux étranges »

Un domaine de la physique quantique a récemment été mis en lumière par une découverte surprenante. Les scientifiques ont observé un comportement inattendu de l’électricité dans une catégorie de matériaux connus sous le nom de « métaux étranges ». Cette découverte surprend les scientifiques depuis plus de quatre décennies. 

Les propriétés inhabituelles des métaux étranges

La résistivité électrique, qui quantifie la difficulté d’un courant électrique à traverser une substance, augmente avec le carré de la température dans les métaux ordinaires jusqu’à se stabiliser à des températures extrêmement élevées. Il est intuitivement logique que les électrons porteurs de charge dans un métal se heurtent et se dispersent au sein de sa structure atomique vibrante, provoquant ainsi la résistivité.

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Toutefois, les métaux étranges sont des matériaux quantiques avec des caractéristiques uniques, notamment une résistance électrique non conventionnelle par rapport aux métaux ordinaires. Ces matériaux, qui intriguent les physiciens depuis environ 40 ans, semblent même atteindre un état de supraconductivité à des températures relativement élevées.

Dans une étude publiée le 23 novembre dans la revue Science, les chercheurs ont révélé un phénomène étonnant. En utilisant des nanofils fabriqués à partir de métaux étranges, ils ont découvert que l’électricité ne se déplace pas en amas d’électrons, mais plutôt comme un fluide. Cette observation est en contradiction directe avec les théories précédentes sur la conduction électrique dans les métaux.

Comprendre le flux électrique dans les métaux étranges

Traditionnellement, les métaux étaient considérés comme une « mer » de Fermi d’électrons individuels transportant le courant. En 1956, le physicien Lev Landau a théorisé que les électrons des métaux s’agglutinaient en raison des principes particuliers de l’enchevêtrement quantique, puis il a étendu cette idée aux interactions entre électrons. En d’autres termes, les électrons des métaux se déplacent en grappes de quasiparticules plutôt qu’individuellement comme s’ils nageaient dans un courant. L’idée de Landau, qui s’est imposée pour expliquer comment les métaux conduisent l’électricité, s’est révélée très exacte.

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Cependant, les métaux étranges défient cette vue en montrant une augmentation linéaire de la résistance, un phénomène qui reste inexpliqué. Pour explorer ce mystère, les scientifiques ont fabriqué des nanofils d’ytterbium, de rhodium et de silicium, chacun d’une largeur de 200 nanomètres et d’une longueur de 600 nanomètres, soit environ cinq fois plus petit qu’une bactérie. Ces fils ont été refroidis à des températures proches du zéro absolu. 

L’étude des fluctuations du flux d’électrons a été réalisée à l’aide du « bruit de grenaille », une technique qui met en évidence le caractère aléatoire des déplacements des électrons sous une tension appliquée. Contre toute attente, les résultats ont montré que les électrons dans les nanofils ne se déplaçaient pas en amas distincts, comme prévu par la théorie classique, mais plutôt en un flux continu. Selon l’auteur principal, Douglas Natelson, professeur de physique à l’université Rice au Texas, les charges discrètes présentent des fluctuations statistiques dans la manière dont elles s’écoulent.

Remise en question des théories existantes

Pour les métaux étranges, le bruit de grenaille observé dans l’expérience devrait indiquer que les électrons arrivent en grappes discrètes, si l’hypothèse de Landau sur les quasiparticules agglutinées se vérifie. Il est toutefois surprenant de constater que le courant dans les nanofils arrivait sous la forme d’un sifflement constant plutôt que de grandes éclaboussures ; l’électricité circulait toujours dans les fils, mais elle ne semblait pas suivre les porteurs de charge censés l’acheminer.

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Cette découverte remet en question la compréhension actuelle de la conduction électrique dans les métaux. Les métaux étranges semblent suivre un modèle différent, où les électrons se déplacent en un mouvement collectif désorganisé. Les résultats de cette étude suggèrent que les théories traditionnelles sur les métaux, basées sur les idées du physicien Lev Landau, pourraient nécessiter une révision pour incorporer ces nouvelles observations. 

La compréhension approfondie de ces métaux étranges est cruciale, car elle pourrait conduire à des avancées significatives dans le domaine de la technologie quantique. Les chercheurs sont optimistes quant à la possibilité de découvrir un « principe d’organisation » commun qui régirait le comportement de ces matériaux. De telles découvertes pourraient fournir des indices essentiels sur le processus de supraconductivité et potentiellement conduire à de nouvelles applications dans le domaine de l’électronique quantique.