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Aug 07, 2023

La physique

La capacité de transport de courant des métaux dits étranges défie les règles connues de l’électricité. Aavishkar Patel du Flatiron Institute de New York et ses collègues ont désormais une explication sur pourquoi

La capacité de transport de courant des métaux dits étranges défie les règles connues de l’électricité. Aavishkar Patel du Flatiron Institute de New York et ses collègues ont désormais une explication [1]. Ils disent que le résultat pourrait aider les scientifiques à trouver de nouveaux matériaux présentant une supraconductivité à haute température, dont l’étrange métallicité est un état précurseur.

Si vous chauffez une plaque de cuivre, sa résistance électrique (la mesure dans laquelle le matériau s'oppose au flux d'un courant électrique) augmentera avec le carré de la température. Mais si vous ajoutez de l’oxygène, du lanthane et du baryum à ce cuivre, le comportement change soudainement. Le matériau cuprate résultant n'a aucune résistance électrique à très basse température, mais à mesure qu'il chauffe, la résistance augmente linéairement avec la température, ce qui en fait un conducteur moins bon qu'un métal normal comme le cuivre. D'autres propriétés du matériau sont également anormales, notamment sa capacité à absorber la chaleur et à transporter un courant électrique oscillant rapidement. "Mais le changement de résistivité est le plus frappant", explique Patel.

Les scientifiques ont découvert ces bizarreries de résistance pour la première fois en 1986, mais ils ont eu du mal à expliquer leur origine. L'année dernière, des expériences ont confirmé une théorie expliquant le comportement de résistance nulle (supraconductivité) des cuprates. Les théoriciens ont désormais une explication à la tendance à la résistance linéaire (étrange métallicité) observée dans les cuprates et dans d'autres matériaux (voir Point de vue : le graphène révèle son côté étrange).

Pour comprendre pourquoi les métaux étranges sont de moins bons conducteurs que les métaux normaux, Patel et ses collègues se sont tournés vers les électrons des matériaux, porteurs du courant électrique. Pour que le matériau ait une plus grande résistance à des températures plus basses, l’équipe a estimé que les électrons devaient se déplacer plus lentement. Mais pourquoi?

L’équipe a envisagé une cause possible : l’augmentation des collisions entre les électrons, ce qui devrait en théorie ralentir les particules, entraînant une augmentation de la résistance. L’augmentation des collisions peut en effet modifier l’impulsion des électrons individuels. Mais l’équipe a constaté que ce changement en lui-même n’affecte pas la résistance, car l’élan global – ce qu’on appelle l’élan du centre de masse – reste inchangé. Certains électrons ralentissent, tandis que d'autres accélèrent, donc « une simple augmentation des collisions ne suffit pas », explique Patel.

Une autre possibilité envisagée par l’équipe était une inhomogénéité dans le paysage énergétique potentiel du matériau. L’équipe a montré que la traversée d’un tel « terrain accidenté » modifie l’élan du centre de masse des électrons, qu’ils entrent en collision ou non. Mais la résistivité dépendante de la température dans ce scénario correspond à celle observée pour les métaux normaux, et non pour les métaux étranges. «Nous avons réalisé qu'il devait se passer autre chose», dit Patel.

Cette autre chose s’est avérée être un enchevêtrement. En modélisant les électrons comme étant dans un état fortement intriqué, l’équipe a découvert que sur un terrain accidenté, la force de l’intrication des électrons varie en fonction de l’endroit où l’intrication a eu lieu dans le matériau. Cette inhomogénéité de l'intrication ajoute du caractère aléatoire à la fois à l'impulsion des électrons et à la fréquence à laquelle ils entrent en collision (plus l'intrication locale est forte, plus les collisions sont fréquentes).

Désormais, au lieu de circuler tous dans une seule direction à travers le matériau, les électrons se déplacent dans toutes les directions. Cette irrégularité induit une chute du centre de masse beaucoup plus importante que celle constatée lorsque les électrons se déplacent collectivement. Cela modifie également la dépendance en température de la résistance correspondante de telle sorte qu'elle suive la courbe linéaire observée dans les expériences. "Cette interaction entre enchevêtrement et non-uniformité est un nouvel effet", explique Patel. "Cela n'avait pas été envisagé auparavant, bien qu'il s'agisse d'un lien relativement simple à établir."

"Ce travail offre une nouvelle perspective sur un problème très important", explique Rafael Fernandes, théoricien de la matière condensée à l'Université du Minnesota qui étudie le comportement collectif des électrons dans les systèmes désordonnés. « Non seulement ils découvrent ce mécanisme universel pour le comportement des métaux étranges qui ne dépend d'aucun détail matériel, mais ils fournissent également une avancée conceptuelle dans la façon de penser aux interactions électroniques dans des matériaux fortement corrélés. C'est beau."