Rencontrez des métaux étranges : là où l'électricité peut circuler sans électrons | Magazine Quanta

Après un an d'essais et d'erreurs, Liyang Chen avait réussi à réduire un fil métallique en un brin microscopique de la moitié de la largeur d'un fil métallique. d'E. coli bactérie – juste assez fine pour laisser passer un filet de courant électrique. Les gouttes de ce courant pourraient, espérait Chen, aider à résoudre un mystère persistant sur la façon dont la charge se déplace à travers une classe déconcertante de matériaux connus sous le nom de métaux étranges.

Chen, alors étudiant diplômé, et ses collaborateurs de l'Université Rice ont mesuré le courant circulant à travers leur mince brin de métal. Et ils ont constaté que le flux s’écoulait de manière fluide et uniforme. Si bien, en fait, qu'il a défié la conception standard des physiciens de l'électricité dans les métaux.

Canoniquement, le courant électrique résulte du mouvement collectif d’électrons, chacun portant un morceau indivisible de charge électrique. Mais la stabilité mortelle du courant de Chen impliquait qu'il n'était pas du tout constitué d'unités. C’était comme trouver un liquide dépourvu de molécules reconnaissables individuellement.

Même si cela peut paraître étrange, c'est exactement ce que certains physiciens attendaient du métal testé par le groupe, qui, avec ses parents inhabituels, a séduit et déconcerté les physiciens depuis les années 1980. "C'est un très beau travail", a déclaré Subir Satchdev, physicien théoricien de l'Université Harvard spécialisé dans les métaux étranges.

Le constat, a rapporté la semaine dernière dans la revue Sciences, est l'une des indications les plus simples à ce jour que tout ce qui transporte du courant à travers ces métaux inhabituels ne ressemble en rien à des électrons. La nouvelle expérience renforce les soupçons selon lesquels un nouveau phénomène quantique se produirait au sein de métaux étranges. Cela fournit également de l’eau nouvelle aux physiciens théoriciens qui tentent de comprendre de quoi il s’agit. 

"Des métaux étranges, personne n'a la moindre idée d'où ils viennent", a déclaré Pierre Abbamonte, physicien à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champaign. "Auparavant, cela était considéré comme un inconvénient, mais nous réalisons maintenant que c'est vraiment une phase différente de la matière qui vit dans ces choses."

Une clé à cuprate

Le premier défi pour la compréhension conventionnelle des métaux est survenu en 1986, lorsque Georg Bednorz et Karl Alex Müller ont secoué le monde de la physique avec leur découverte de supraconducteurs à haute température, des matériaux qui transportent parfaitement un courant électrique même à des températures relativement chaudes. Les métaux familiers comme l’étain et le mercure ne deviennent supraconducteurs que lorsqu’ils sont refroidis à quelques degrés du zéro absolu. Bednorz et Müller ont mesuré la résistance électrique dans un matériau à base de cuivre (« cuprate ») et ont constaté qu'elle disparaissait à une température relativement douce de 35 kelvins. (Pour leur découverte révolutionnaire, Bednorz et Müller ont empoché un prix Nobel à peine un an plus tard.)

Les physiciens se sont vite rendu compte que la supraconductivité à haute température n’était que le début du comportement mystérieux des cuprates.

Les cuprates sont devenus vraiment bizarres lorsqu'ils ont arrêté d'être supraconducteurs et ont commencé à résister. À mesure que tous les métaux se réchauffent, la résistance augmente. Des températures plus chaudes signifient que les atomes et les électrons tremblent davantage, créant davantage de collisions induisant une résistance lorsque les électrons transportent le courant à travers un matériau. Dans les métaux normaux, comme le nickel, la résistance augmente quadratiquement à basse température – lentement au début, puis de plus en plus vite. Mais dans les cuprates, elle augmentait de manière linéaire : chaque degré de réchauffement entraînait la même augmentation de résistance – un schéma bizarre qui se poursuivait sur des centaines de degrés et, en termes d'étrangeté, éclipsait la capacité supraconductrice du matériau. Les cuprates étaient les métaux les plus étranges que les chercheurs aient jamais vus.

"La supraconductivité est une souris", a déclaré Andreï Tchouboukov, physicien théoricien à l'Université du Minnesota. "L'éléphant... a ce comportement étrange du métal."

L’augmentation linéaire de la résistance menace une explication célèbre de la façon dont la charge électrique se déplace à travers les métaux. Proposée en 1956, la théorie du « liquide de Fermi » de Lev Landau plaçait les électrons au centre de tout. Il s'appuie sur des théories antérieures qui, par souci de simplicité, supposaient que les électrons transportaient un courant électrique et que les électrons se déplaçaient à travers un métal comme un gaz ; ils voltigent librement entre les atomes sans interagir les uns avec les autres.

Landau a ajouté une manière de gérer le fait crucial mais complexe que les électrons interagissent. Ils sont chargés négativement, ce qui signifie qu’ils se repoussent constamment. Considérant que cette interaction entre les particules a transformé le gaz électronique en une sorte d’océan – désormais, lorsqu’un électron se déplaçait dans le fluide des électrons, il perturbait les électrons proches. Grâce à une série complexe d’interactions impliquant une répulsion mutuelle, ces électrons interagissant désormais doucement ont fini par voyager en foule – en amas appelés quasiparticules.

Le miracle de la théorie des liquides de Fermi était que chaque quasiparticule se comportait presque exactement comme s’il s’agissait d’un seul électron fondamental. Une différence majeure, cependant, était que ces blobs se déplaçaient plus lentement ou plus agilement (selon le matériau) qu'un électron nu, agissant effectivement plus lourd ou plus léger. Désormais, simplement en ajustant les termes de masse dans leurs équations, les physiciens pourraient continuer à traiter le courant comme le mouvement des électrons, avec seulement un astérisque spécifiant que chaque électron était en réalité un amas de quasi-particules.

Un triomphe majeur du cadre de Landau était que, dans les métaux normaux, il mettait en évidence la manière complexe dont la résistance augmente quadratiquement avec la température. Les quasiparticules de type électronique sont devenues la méthode standard pour comprendre les métaux. "C'est dans tous les manuels", a déclaré Sachdev.

Mais chez les cuprates, la théorie de Landau a échoué de façon spectaculaire. La résistance a augmenté selon une ligne immaculée plutôt que selon la courbe quadratique standard. Les physiciens ont longtemps interprété cette ligne comme le signe que les cuprates abritent un nouveau phénomène physique.

"Il faut croire que soit la nature vous donne un indice, soit qu'elle est incroyablement cruelle", a déclaré Grégory Boebinger, physicien à la Florida State University qui a passé une grande partie de sa carrière à étudier la réponse linéaire des cuprates. « Apposer une signature aussi terriblement simple et séduisante et qu’elle ne soit pas physiquement importante serait tout simplement trop difficile à supporter. »

Et les cuprates n’étaient qu’un début. Les chercheurs ont depuis découvert un une multitude de matériaux disparates avec la même résistance linéaire séduisante, y compris les « sels de Bechgaard » organiques et les feuilles de graphène mal alignées. Alors que ces « métaux étranges » proliféraient, les scientifiques se demandaient pourquoi la théorie des fluides de Fermi de Landau semblait s'effondrer dans tous ces différents matériaux. Certains en sont venus à soupçonner que c’était parce qu’il n’y avait aucune quasiparticule ; les électrons s'organisaient d'une manière étrange et nouvelle qui masquait toute individualité, un peu comme la nature discrète du raisin se perd dans une bouteille de vin.

"C'est une phase de la matière dans laquelle un électron n'a vraiment aucune identité", a déclaré Abbamonte. « Néanmoins, [un métal étrange] est un métal ; il transporte en quelque sorte le courant.

Mais on ne supprime pas simplement les électrons. Pour certains scientifiques, un courant électrique potentiellement continu – qui n’est pas divisé en électrons – est trop radical. Et quelques expériences étranges sur le métal continuent de correspondre à certaines prédictions de la théorie de Landau. La controverse persistante a incité le directeur de thèse de Chen : Douglas Natalson de l'Université Rice, avec son collègue Qimiao Si, pour réfléchir à la manière dont ils pourraient examiner plus directement l’anatomie de la charge se déplaçant à travers un métal étrange.

« Que pourrais-je mesurer qui me dirait réellement ce qui se passe ? » se demanda Nathanson.

L'anatomie de l'électricité

Le but de l'équipe était de disséquer le courant dans un métal étrange. Est-il venu sous forme de morceaux de charge de la taille d’un électron ? Est-ce qu'il est arrivé en morceaux ? Pour le savoir, ils se sont inspirés d’une manière classique de mesurer les fluctuations d’un débit – le « bruit de tir » – un phénomène qui peut être compris si l’on pense à la manière dont la pluie peut tomber lors d’un orage.

Imaginez que vous êtes assis dans votre voiture et que vous savez, grâce à des prévisions météorologiques fiables, que 5 millimètres de pluie tomberont au cours de la prochaine heure. Ces 5 millimètres représentent le courant électrique total. Si cette pluie est divisée en une poignée de gouttes géantes, la variation du moment où ces gouttes toucheront votre toit sera élevée ; Parfois, les gouttes éclabousseront dos à dos, et à d'autres moments, elles seront espacées. Dans ce cas, le bruit de tir est élevé. Mais si les mêmes 5 millimètres de pluie se répartissent en un brouillard constant de minuscules gouttelettes, la variation de l’heure d’arrivée – et donc du bruit du tir – sera faible. La brume délivrera en douceur presque la même quantité d’eau d’un instant à l’autre. De cette façon, le bruit de tir révèle la taille des gouttes.

"Le simple fait de mesurer la vitesse à laquelle l'eau apparaît ne vous donne pas une vue d'ensemble", a déclaré Natelson. "Mesurer les fluctuations [de ce taux] vous en dit beaucoup plus."

De même, écouter le crépitement du courant électrique peut vous renseigner sur les morceaux de charge qui le composent. Ces morceaux sont normalement des quasiparticules de type électronique de Landau. En effet, l'enregistrement du bruit de tir dans un métal normal est une manière courante de mesurer la charge fondamentale de l'électron — 1.6 × 10.^-19 Coulombs.

Pour aller au cœur du courant d'un métal étrange, l'équipe a voulu mesurer le bruit de tir. Mais le bruit de tir électronique peut être obscurci si les électrons sont poussés par les ondulations du réseau atomique d'un métal. Pour éviter ce problème, les chercheurs envoient du courant dans des fils si courts que les ondulations n'ont pas le temps d'influencer les électrons. Ces fils doivent être à l’échelle nanoscopique.

Le groupe a choisi de travailler avec un métal particulièrement étrange composé d'ytterbium, de rhodium et de silicium car le collaborateur de longue date de Natelson et Si, Silke Bühler-Paschen de l'Université de Technologie de Vienne, avait découvert comment faire croître ce matériau dans des films de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur seulement. Cela prenait en compte une dimension spatiale.

Il incombait ensuite à Chen de trouver comment prendre ces films et découper un fil mesurant seulement des nanomètres de longueur et de largeur.

Pendant environ un an, Chen a testé différentes façons de réduire le métal en le sablant efficacement avec des atomes. Mais essai après essai, il a découvert que les nanofils résultants subissaient des dommages à l'échelle atomique qui détruisaient la résistance linéaire caractéristique de l'étrange métal. Après des dizaines de tentatives, il a opté pour un procédé qui a fonctionné : il a plaqué le métal avec du chrome, a utilisé un courant d'argon pour éliminer tout l'étrange métal protégé par le chrome, sauf une fine ligne, puis a retiré le chrome avec un bain. d'acide chlorhydrique.

En fin de compte, Chen, qui a obtenu son doctorat au printemps et a depuis travaillé dans la finance, a fabriqué une poignée de nanofils presque parfaits. Chacun mesurait environ 600 nanomètres de long sur 200 nanomètres de large, soit environ 50 fois plus étroit qu’un globule rouge.

Après les avoir refroidis à des températures glaciales de l’ordre de Kelvin, les chercheurs ont fait passer du courant électrique à travers les étranges nanofils métalliques. Ils ont également fait passer du courant à travers des nanofils en or normal. Le courant dans le fil d’or crépitait de la manière familière que font les courants constitués de quasi-particules chargées – comme de grosses gouttes de pluie éclaboussant le toit d’une voiture. Mais dans l’étrange métal, le courant glissait doucement à travers le nanofil, un effet semblable au sifflement presque silencieux de la brume. L’interprétation la plus simple de l’expérience est que la charge de cet étrange métal ne circule pas en morceaux de la taille d’un électron.

"Les données expérimentales fournissent des preuves solides que des quasi-particules sont perdues dans cet étrange métal", a déclaré Si.

Cependant, tous les physiciens ne sont pas pleinement convaincus que l'expérience tue les quasi-particules de Landau. "C'est une affirmation très audacieuse", a déclaré Brad Ramshaw, physicien à l'Université Cornell. "Vous avez donc besoin de données audacieuses."

L’une des limites de l’expérience est que le groupe n’a testé qu’un seul matériau. Ce n'est pas parce que le bruit de tir est faible dans le mélange d'ytterbium, de rhodium et de silicium de Chen qu'il est faible dans d'autres métaux étranges. Et une anomalie ponctuelle peut toujours être attribuée à un détail mal compris concernant ce matériau.

Ramshaw a également souligné que les métaux sonnent avec toutes sortes de vibrations étranges cela pourrait déformer le bruit de tir dans le courant. Chen et ses collègues ont exclu toute interférence provenant des vibrations les plus courantes, mais il est possible qu'une ondulation exotique ait échappé à leur attention.

Néanmoins, Ramshaw trouve l’expérience convaincante. "C'est très motivant pour les gens d'essayer de faire d'autres choses pour voir si elles sont également cohérentes avec l'absence d'électrons", a-t-il déclaré.

Si ce n’est pas des électrons, alors quoi ?

Si l’image des quasiparticules continue de s’effondrer, qu’est-ce qui pourrait la remplacer ? Comment le courant se déplace-t-il autour de métaux étranges sinon dans des parcelles de charge semblables à des électrons ? Ce n’est pas une situation facile à décrire, et encore moins à exprimer en termes mathématiques précis. "Quel est le bon vocabulaire à utiliser", a déclaré Natelson, "si vous n'allez pas parler de quasiparticules ?"

Lorsqu'ils sont pressés, les physiciens répondent à cette question avec un frémissement de métaphores sur ce qui apparaît lorsque des électrons individuels disparaissent : ils se fondent dans une soupe quantique enchevêtrée ; ils se figent en gelée ; ils forment un désordre mousseux de charge qui ballotte. Philippe Phillips d'Urbana-Champaign compare les électrons d'un métal étrange au caoutchouc d'un pneu. Lorsque le caoutchouc sort d’un arbre, ses molécules s’alignent en cordes individuelles. Mais lors du processus de vulcanisation, ces cordes se transforment en un filet robuste. Une nouvelle substance émerge de la collection d’individus. « Vous obtenez quelque chose qui est plus grand que la somme de ses parties », a-t-il déclaré. "Les électrons eux-mêmes n'ont aucune intégrité."

Pour aller au-delà des vagues descriptions de l’émergence, les physiciens ont besoin d’une description mathématique précise – une théorie des fluides de Fermi encore inconnue pour les métaux étranges. Sachdev a aidé à développer un candidat simpliste, le modèle SYK, au début des années 1990. La résistance linéaire était correcte, mais cela n’avait rien à voir avec de vrais matériaux constitués d’une véritable grille d’atomes. D’une part, il n’y avait pas d’espace ; tous les électrons se trouvent en un seul point où ils interagissent de manière aléatoire et s’emmêlent avec tous les autres électrons.

Au cours des deux dernières années, Sachdev, Aavishkar Patel du Flatiron Institute, et leurs collaborateurs ont travaillé sur apporter de l'espace dans le modèle SYK. Ils propagent les interactions électroniques dans l’espace en considérant les effets des défauts du réseau atomique – des endroits où des atomes ont disparu ou où des atomes supplémentaires sont apparus. Cette poussière d’imperfections atomiques provoque des variations aléatoires dans la façon dont les paires d’électrons interagissent et s’enchevêtrent. La tapisserie d’électrons intriqués qui en résulte présente une résistance croissante linéaire – la marque d’un métal étrange. Ils ont récemment utilisé leur framework calculer le bruit de tir aussi. Les chiffres ne correspondent pas tout à fait aux observations de Chen, mais ils forment le même modèle qualitatif. "Toutes les tendances sont bonnes", a déclaré Sachdev.

D'autres chercheurs soulignent que la situation théorique reste fluide : il n'est pas clair pour certains si des matériaux aussi distincts les uns des autres que les feuilles de graphène et de cuprate supraconducteurs pourraient tous partager une liste de défauts suffisamment similaires pour produire les propriétés communes des métaux étranges dans le manière requise par la théorie de Sachdev et Patel. Et les théories alternatives abondent. Phillips, par exemple, soupçonne que les métaux étranges nécessitent une forme émergente d'électromagnétisme cela ne repose pas sur des électrons entiers. Si et Bühler-Paschen, quant à eux, ont passé près de 20 ans développer et explorer a théorie pour savoir comment les quasiparticules se dissolvent lorsqu'un système se trouve à un "point critique quantique», où deux états de mécanique quantique différents luttent pour le dessus. Dans l’expérience sur le bruit de grenaille, ils ont amené leurs nanofils à un point critique.

Bien que les physiciens ne soient pas encore d’accord sur la raison pour laquelle les charges électriques semblent se dissoudre à l’intérieur de métaux étranges, ou même si elles se dissolvent réellement, ils sont déterminés à le découvrir.

"Si nous pensons vraiment qu'il existe toute une catégorie de métaux que nous ne comprenons pas", a déclaré Natelson, "il est important de les comprendre."

NDLR : Le Flatiron Institute est financé par la Fondation Simons, qui finance également ce magazine éditorialement indépendant. Ni le Flatiron Institute ni la Fondation Simons n’ont aucune influence sur notre couverture. Plus d'informations disponibles ici.

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