De nouvelles mesures ont résolu un mystère en physique du solide :comment se fait-il que certains métaux ne semblent pas adhérer aux règles en vigueur ?

Les métaux sont généralement considérés comme solides, matériaux incassables qui conduisent l'électricité et présentent un éclat métallique typique. Le comportement des métaux classiques, par exemple, leur conductivité électrique, peut être expliqué avec bien connu, théories physiques éprouvées.

Mais il existe aussi des composés métalliques plus exotiques qui posent des énigmes :Certains alliages sont durs et cassants, les oxydes métalliques spéciaux peuvent être transparents. Il existe même des matériaux à la frontière entre le métal et l'isolant :de minuscules changements dans la composition chimique transforment le métal en un isolant, ou vice versa. Dans de tels matériaux, des états métalliques avec une conductivité électrique extrêmement faible se produisent ; ceux-ci sont appelés "mauvais métaux". Jusqu'à maintenant, il semblait que ces "mauvais métaux" ne pouvaient tout simplement pas être expliqués par les théories conventionnelles. De nouvelles mesures montrent maintenant que ces métaux ne sont pas si "mauvais" après tout. En y regardant de plus près, leur comportement correspond parfaitement à ce que l'on savait déjà des métaux.

Petite monnaie, grande différence

Le professeur Andrej Pustogow et son groupe de recherche à l'Institut de physique des solides de la TU Wien (Vienne) mènent des recherches sur des matériaux métalliques spéciaux, de petits cristaux spécialement développés en laboratoire. "Ces cristaux peuvent prendre les propriétés d'un métal, mais si vous variez un peu la composition, on a soudainement affaire à un isolant qui ne conduit plus l'électricité et qui est transparent comme du verre à certaines fréquences, " dit Pustogow.

Juste à cette transition, on rencontre un phénomène inhabituel :la résistance électrique du métal devient extrêmement grande - plus grande, En réalité, que cela ne devrait être possible selon les théories conventionnelles. "La résistance électrique a à voir avec la dispersion des électrons les uns sur les autres ou sur les atomes du matériau, " explique Andrej Pustogow. Selon ce point de vue, la plus grande résistance électrique possible devrait se produire si l'électron est dispersé sur chaque atome sur son chemin à travers le matériau - après tout, il n'y a rien entre un atome et son voisin qui puisse faire dévier l'électron de sa trajectoire. Mais cette règle ne semble pas s'appliquer aux soi-disant "mauvais métaux" :ils montrent une résistance bien supérieure à ce que ce modèle permettrait.

Tout dépend de la fréquence

La clé pour résoudre ce casse-tête est que les propriétés des matériaux dépendent de la fréquence. "Si vous mesurez simplement la résistance électrique en appliquant une tension continue, vous n'obtenez qu'un seul nombre - la résistance à fréquence nulle, " dit Andrej Pustogow. " Nous, d'autre part, effectué des mesures optiques à l'aide d'ondes lumineuses de différentes fréquences."

Cela a montré que les « mauvais métaux » ne sont pas si « mauvais » après tout :à basse fréquence, ils ne conduisent pratiquement aucun courant, mais à des fréquences plus élevées, ils se comportent comme on pourrait s'y attendre des métaux. L'équipe de recherche considère d'infimes quantités d'impuretés ou de défauts dans le matériau, qui ne peut plus être suffisamment blindé par un métal à la frontière d'un isolant, comme cause possible. Ces défauts peuvent faire en sorte que certaines zones du cristal ne conduisent plus l'électricité car les électrons y restent localisés à un certain endroit au lieu de se déplacer à travers le matériau. Si une tension continue est appliquée au matériau afin que les électrons puissent se déplacer d'un côté du cristal à l'autre, alors pratiquement chaque électron finira par frapper une telle région isolante et le courant peut à peine circuler.

À haute fréquence CA, d'autre part, chaque électron va et vient en continu - il ne parcourt pas une longue distance dans le cristal car il change constamment de direction. Cela signifie que dans ce cas, de nombreux électrons n'entrent même pas en contact avec l'une des régions isolantes du cristal.

Espoir de nouvelles étapes importantes

"Nos résultats montrent que la spectroscopie optique est un outil très important pour répondre aux questions fondamentales de la physique du solide, " dit Andrej Pustogow. " De nombreuses observations pour lesquelles on croyait auparavant qu'exotiques, de nouveaux modèles devaient être développés pourraient très bien être expliqués par les théories existantes si elles étaient suffisamment étendues. Notre méthode de mesure montre où les ajouts sont nécessaires." Déjà dans des études antérieures, Le professeur Pustogow et ses collègues internationaux ont acquis une connaissance importante de la région limite entre le métal et l'isolant, en utilisant des méthodes spectroscopiques, établissant ainsi un fondement pour la théorie, .

Le comportement métallique des matériaux soumis à de fortes corrélations entre les électrons est également particulièrement pertinent pour ce qu'on appelle la "supraconductivité non conventionnelle", un phénomène découvert il y a un demi-siècle mais encore mal compris.