Dans l’exploration de la physique quantique, des chercheurs ont découvert des comportements électriques inhabituels dans un matériau connu sous le nom de « métal étrange ». Cette trouvaille pourrait offrir de nouvelles perspectives dans notre compréhension des phénomènes quantiques.
Des expériences récentes sur le bruit quantique menées à l’Université Rice ont révélé que ce matériau quantique, fidèle à sa réputation de «métal étrange», se comportait de manière étonnamment silencieuse. Les mesures des fluctuations de charge quantique, connues sous le nom de « bruit de tir », ont fourni la première preuve directe que l’électricité semble circuler à travers les métaux étranges sous une forme liquide inhabituelle qui ne peut pas être facilement expliquée en termes de paquets « quantisés » de charge connus sous le nom de quasi-particules.
« Le bruit est fortement supprimé par rapport aux fils ordinaires », a indiqué Douglas Natelson de l’Université Rice, auteur correspondant de l’étude. « Cela pourrait être une preuve que les quasi-particules ne sont pas bien définies, ou qu’elles ne sont tout simplement pas là et que la charge se déplace de manière plus complexe. Nous devons trouver le bon vocabulaire pour parler de la façon dont la charge peut se déplacer collectivement. »
Un matériau quantique critique
Les expériences ont été réalisées sur des fils à l’échelle nanométrique d’un matériau quantique critique avec un ratio précis de 1-2-2 d’ytterbium, de rhodium et de silicium (YbRh2Si2). Ce matériau a été étudié en profondeur au cours des deux dernières décennies par Silke Paschen, physicienne de l’état solide à l’Université de technologie de Vienne (TU Wien). Le matériau contient un haut degré d’intrication quantique qui produit un comportement dépendant de la température très inhabituel («étrange») qui est très différent de celui des métaux normaux tels que l’argent ou l’or.
Dans de tels métaux normaux, chaque quasi-particule, ou unité discrète, de charge est le produit d’interactions minuscules incalculables entre d’innombrables électrons. Proposée pour la première fois il y a 67 ans, la quasi-particule est un concept que les physiciens utilisent pour représenter l’effet combiné de ces interactions en tant qu’objet quantique unique pour les calculs mécaniques quantiques.
Des expériences de bruit de tir révélatrices
Certaines études théoriques antérieures ont suggéré que la charge dans un métal étrange pourrait ne pas être portée par de telles quasi-particules, et les expériences de bruit de tir ont permis à Douglas Natelson, à l’auteur principal de l’étude, Liyang Chen et à leur collègues de recueillir la première preuve empirique directe pour tester cette idée.
« La mesure du bruit de tir est essentiellement une façon de voir à quel point la charge est granulaire lorsqu’elle traverse quelque chose », a commenté Douglas Natelson. « L’idée est que si je conduis un courant, il est constitué d’un ensemble de porteurs de charge discrets. Ceux-ci arrivent à un rythme moyen, mais parfois ils se trouvent être plus rapprochés dans le temps, et parfois ils sont plus éloignés. »
Des défis techniques surmontés
L’application de la technique dans les cristaux de YbRh2Si2 a présenté des défis techniques significatifs. Les expériences de bruit de tir ne peuvent pas être réalisées sur des cristaux macroscopiques uniques, mais nécessitent plutôt des échantillons de dimensions nanoscopiques.
Ainsi, la croissance de films extrêmement minces mais néanmoins parfaitement cristallins a dû être réalisée, ce que Silke Paschen, Maxwell Andrews et leurs collaborateurs de TU Wien ont réussi après près d’une décennie de travail acharné.
Ensuite, Liyang Chen a dû trouver un moyen de maintenir ce niveau de perfection tout en fabriquant des fils à partir de ces films minces qui étaient environ 5 000 fois plus étroits qu’un cheveu humain.
Une collaboration fructueuse
Qimiao Si, co-auteur de Rice, le théoricien principal de l’étude et le professeur Harry C. et Olga K. Wiess de physique et d’astronomie, a déclaré qu’il avait discuté de l’idée des expériences avec Douglas Natelson et Silke Paschen pour la première fois alors que ce dernier était chercheur invité à Rice en 2016.
Qimiao Si a indiqué que les résultats sont cohérents avec une théorie de la criticité quantique qu’il a publiée en 2001 et qu’il a continué à explorer dans une collaboration de près de deux décennies avec Silke Paschen.
« Le faible bruit de tir a apporté de nouvelles perspectives sur la façon dont les porteurs de courant de charge s’entrelacent avec les autres agents de la criticité quantique qui sous-tend la métallicité étrange », a déclaré Si, dont le groupe a effectué des calculs qui ont écarté l’image de la quasi-particule. « Dans cette théorie de la criticité quantique, les électrons sont poussés au bord de la localisation, et les quasi-particules sont perdus partout sur la surface de Fermi. »
En synthèse
Cette étude a révélé des comportements électriques inhabituels dans un matériau quantique connu sous le nom de «métal étrange». Les résultats suggèrent que la charge électrique dans ces matériaux peut se déplacer de manière plus complexe que ce que les modèles actuels de quasi-particules peuvent expliquer. Ces découvertes pourraient avoir des implications significatives pour notre compréhension des phénomènes quantiques et ouvrir de nouvelles voies de recherche dans le domaine de la physique quantique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un « métal étrange » ?
Un «métal étrange» est un type de matériau quantique qui présente des comportements électriques inhabituels. Il est caractérisé par une forme liquide inhabituelle de circulation de l’électricité qui ne peut pas être facilement expliquée en termes de paquets « quantisés » de charge connus sous le nom de quasi-particules.
Qu’est-ce que le bruit de tir ?
Le bruit de tir est une mesure des fluctuations de charge quantique. Il est utilisé pour observer la granularité de la charge lorsqu’elle traverse un matériau.
Qu’est-ce qu’une quasi-particule ?
Une « quasi-particule » est un concept utilisé en physique pour représenter l’effet combiné d’interactions minuscules incalculables entre d’innombrables électrons en tant qu’objet quantique unique pour les calculs mécaniques quantiques.
Qu’est-ce que la criticité quantique ?
La criticité quantique est une théorie qui décrit un état de la matière où les électrons sont poussés au bord de la localisation, et les quasi-particules sont perdus partout sur la surface de Fermi.
Quelles sont les implications de cette étude ?
Cette étude pourrait avoir des implications significatives pour notre compréhension des phénomènes quantiques et ouvrir de nouvelles voies de recherche dans le domaine de la physique quantique.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Le « métal étrange » présente des comportements électriques inhabituels. |
| Le bruit de tir est fortement supprimé dans le « métal étrange ». |
| Les quasi-particules pourraient ne pas être présentes dans le « métal étrange ». |
| Le matériau a été étudié en profondeur par Silke Paschen de l’Université de technologie de Vienne (TU Wien). |
| Les expériences de bruit de tir ont nécessité des échantillons de dimensions nanoscopiques. |
| Les résultats sont cohérents avec une théorie de la criticité quantique publiée en 2001. |
| Les électrons sont poussés au bord de la localisation dans la théorie de la criticité quantique. |
| Les quasi-particules sont perdus partout sur la surface de Fermi dans la théorie de la criticité quantique. |
| Les résultats pourraient avoir des implications significatives pour notre compréhension des phénomènes quantiques. |
| Les découvertes pourraient ouvrir de nouvelles voies de recherche dans le domaine de la physique quantique. |
Références
Légende illustration principale : Rice University physicist Doug Natelson. Crédit : Jeff Fitlow/Rice University
“Shot noise in a strange metal” | Science | DOI: 10.1126/science.abq6100
Authors: Liyang Chen, Dale T. Lowder, Emine Bakali, Aaron M. Andrews, Werner Schrenk, Monika Waas, Robert Svagera, Gaku Eguchi, Lukas Prochaska, Yiming Wang, Chandan Setty, Shouvik Sur, Qimiao Si, Silke Paschen and Douglas Natelson. https://doi.org/10.1126/science.abq6100
