Type de « métal étrange » récemment découvert – une substance qui partage des caractéristiques quantiques de base avec les trous noirs

Une nouvelle découverte pourrait aider les scientifiques à comprendre les « métaux exotiques », une classe de matériaux associés aux supraconducteurs à haute température et qui partagent des qualités quantiques de base avec les trous noirs.

Les scientifiques comprennent très bien comment la température affecte la conductivité électrique dans la plupart des métaux courants tels que le cuivre ou l’argent. Mais ces dernières années, les chercheurs se sont tournés vers une classe de matériaux qui ne semblent pas suivre les règles électriques traditionnelles. Comprendre les soi-disant «métaux exotiques» pourrait fournir des informations fondamentales sur le monde quantique et éventuellement aider les scientifiques à comprendre des phénomènes exotiques tels que la supraconductivité à haute température.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par un physicien de l’Université Brown a ajouté une nouvelle découverte à l’étrange mélange de minéraux. Dans une étude publiée dans le magazine tempérer la natureL’équipe a découvert un comportement métallique étrange dans un matériau dans lequel la charge électrique n’est pas transportée par des électrons, mais par des entités « ondulatoires » appelées paires de Cooper.

Alors que les électrons appartiennent à une classe de particules appelées fermions, les paires de Cooper agissent comme des bosons qui suivent des règles très différentes de celles des fermions. C’est la première fois qu’un comportement métallique étrange est observé dans un système bosonien, et les chercheurs espèrent que cette découverte sera utile pour trouver une explication au fonctionnement des métaux étranges, ce qui échappe aux scientifiques depuis des décennies.

En utilisant un matériau appelé oxyde de cuivre yttrium-baryum bordé de minuscules trous, les chercheurs ont détecté un comportement de « métal étrange » dans un type de système où les porteurs de charge sont des bosons, quelque chose qu’ils n’avaient jamais vu auparavant. Crédit : Université Brown

« Nous avons ces deux types de particules fondamentalement différents dont les comportements convergent autour d’une énigme », a déclaré Jim Vallis, professeur de physique à Brown et auteur correspondant de l’étude. « Ce que cela veut dire, c’est que toute théorie expliquant le comportement métallique étrange ne peut être spécifique à aucun type de particule. Elle doit être plus fondamentale que cela. »

métaux exotiques

L’étrange comportement métallique a été découvert pour la première fois il y a environ 30 ans dans une classe de matériaux appelés cuprates. Ces matériaux d’oxyde de cuivre sont connus pour être des supraconducteurs à haute température, ce qui signifie qu’ils conduisent l’électricité avec une résistance nulle à des températures bien supérieures à celles des supraconducteurs ordinaires. Mais même à des températures supérieures à la température critique pour la supraconductivité, les cuprates se comportent étrangement par rapport aux autres métaux.

Lorsque sa température augmente, la résistance des cuprates augmente de manière strictement linéaire. Dans les métaux ordinaires, la résistance n’augmente que jusqu’à présent, devenant stable à haute température selon ce que l’on appelle la théorie du fluide de Fermi. La résistance survient lorsque des électrons circulent dans une explosion métallique dans la structure atomique d’un métal vibrant, provoquant sa dispersion. La théorie du fluide fermien spécifie la vitesse maximale à laquelle la diffusion d’électrons peut se produire. Mais les minéraux exotiques ne suivent pas les règles du fluide de Fermi, et personne ne sait comment ils fonctionnent. Ce que les scientifiques savent, c’est que la relation température-résistance dans les métaux exotiques semble être liée à deux constantes fondamentales de la nature : la constante de Boltzmann, qui représente l’énergie du mouvement thermique aléatoire, et la constante de Planck, qui se rapporte à l’énergie du photon. (une particule de lumière).

« Pour essayer de comprendre ce qui se passe dans ces minéraux exotiques, les gens ont appliqué des approches mathématiques similaires à celles utilisées pour comprendre les trous noirs », a déclaré Vallis. « Il y a donc une physique très basique dans ces matériaux. »

de bosons et de fermions

Ces dernières années, Vallis et ses collègues ont étudié l’activité électrique dans laquelle les porteurs de charge ne sont pas des électrons. En 1952, le lauréat du prix Nobel Leon Cooper, aujourd’hui professeur émérite à l’Université Brown, a découvert que dans les supraconducteurs ordinaires (pas le type à haute température découvert plus tard), les électrons coopèrent pour former des paires de Cooper, qui peuvent glisser à travers un réseau atomique sans résistance. Bien qu’elles soient constituées de deux électrons, qui sont des fermions, les paires de Cooper peuvent agir comme des bosons.

« Les systèmes de fermions et de bosons se comportent généralement très différemment », a déclaré Vallis. « Contrairement aux fermions individuels, les bosons sont autorisés à partager le même état quantique, ce qui signifie qu’ils peuvent se déplacer collectivement comme des molécules d’eau dans des ondulations d’ondes. »

En 2019, Vallis et ses collègues ont montré que les bosons de Cooper peuvent produire un comportement métallique, ce qui signifie qu’ils peuvent conduire l’électricité avec un certain degré de résistance. Les chercheurs disent que c’était en soi une découverte surprenante, car des éléments de la théorie quantique indiquent que ce phénomène ne devrait pas être possible. Dans cette dernière recherche, l’équipe a voulu savoir si les minéraux bosoniques de la paire Cooper étaient également des minéraux exotiques.

L’équipe a utilisé un matériau en cuivre appelé oxyde de cuivre yttrium baryum qui est décoré de minuscules trous qui catalysent l’état métallique de la paire Cooper. L’équipe a refroidi le matériau juste au-dessus de la température supraconductrice pour observer les changements de sa conductivité. Ils retrouvent, comme les métaux fermiens exotiques, une conductivité métallique du couple de Cooper linéaire avec la température.

Les chercheurs disent que cette nouvelle découverte donnera aux théoriciens quelque chose de nouveau à mâcher alors qu’ils essaient de comprendre le comportement étrange du métal.

« Il a été difficile pour les théoriciens de trouver une explication à ce que nous voyons dans les minéraux exotiques », a déclaré Vallis. « Notre travail montre que si vous allez modéliser le transport de charge dans les métaux exotiques, ce modèle devrait s’appliquer à la fois aux fermions et aux bosons – même si ces types de particules suivent des règles fondamentalement différentes. »

En fin de compte, la théorie des métaux exotiques pourrait avoir d’énormes implications. L’étrange comportement métallique pourrait détenir la clé pour comprendre la supraconductivité à haute température, qui a un énorme potentiel pour des choses comme les réseaux d’énergie sans perte et les ordinateurs quantiques. Et parce que le comportement des métaux exotiques semble être lié aux constantes fondamentales de l’univers, la compréhension de leur comportement peut éclairer les faits de base sur le fonctionnement du monde physique.

Référence : « Signatures of Strange Metal in the Bosoni System » par Zhao Yang, Haiwen Liu, Wei Liu, Jian Dong Wang, Dong Qiu, Sichuang Wang, Yang Wang, Qianmei He, Xiuli Li, Peng Li, Yue Tang, Jian Wang, XC Xie, James M. Valles Jr, Jie Xiong et Yanrong Li, 12 janvier 2022, disponible ici. tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04239-y