En mesurant avec précision l'entropie d'un alliage cérium-cuivre-or avec des propriétés électroniques déconcertantes refroidies à un zéro presque absolu, des physiciens en Allemagne et aux États-Unis ont glané de nouvelles preuves sur les causes possibles de la supraconductivité à haute température et de phénomènes similaires.

"Cette démonstration fournit une base pour mieux comprendre comment de nouveaux comportements comme la supraconductivité à haute température sont provoqués lorsque certains types de matériaux sont refroidis à un point critique quantique, " a déclaré Qimiao Si, physicien de l'Université Rice, co-auteur d'une nouvelle étude sur la recherche publiée cette semaine Physique de la nature .

La recherche expérimentale a été dirigée par Hilbert von Löhneysen du Karlsruhe Institute of Technology à Karlsruhe, Allemagne. L'équipe de Löhneysen, y compris l'auteur principal de l'étude Kai Grube, a passé un an à mener des dizaines d'expériences sur un composé de cérium, de cuivre et d'or. En étudiant l'effet du stress, ou pression appliquée dans des directions spécifiques, et en rendant les matériaux très froids, l'équipe a subtilement modifié l'espacement entre les atomes dans les composés métalliques cristallins et a ainsi modifié leurs propriétés électroniques.

Les alliages cérium cuivre or sont des « fermions lourds, " l'un des nombreux types de matériaux quantiques qui présentent des propriétés électroniques exotiques lorsqu'ils sont très froids. Les plus connus d'entre eux sont les supraconducteurs à haute température, ainsi nommés pour leur capacité à conduire le courant électrique avec une résistance nulle à des températures bien supérieures à celles des supraconducteurs traditionnels. Les fermions lourds présentent une bizarrerie différente :leurs électrons semblent être effectivement des centaines de fois plus massifs que la normale et, tout aussi inhabituel, la masse effective des électrons semble varier fortement lorsque la température change.

Ces comportements étranges défient les théories physiques traditionnelles. Ils se produisent également à des températures très froides et surviennent lorsque les matériaux sont réglés sur une "transition de phase quantique" - un changement d'un état à un autre, comme la fonte des glaces. En 2001, Si et ses collègues ont proposé une nouvelle théorie :au point critique quantique, les électrons fluctuent entre deux états quantiques totalement différents, à tel point que leur masse effective devient infiniment grande. La théorie a prédit certains signes révélateurs à l'approche du point critique quantique, et Si a travaillé avec des physiciens expérimentateurs au cours des 16 dernières années pour amasser des preuves à l'appui de la théorie.

"L'eau liquide et la glace sont deux des états classiques dans lesquels H2O peut exister, " dit Si, directeur du Rice Center for Quantum Materials. "La glace est une phase très ordonnée car les molécules d'H2O sont soigneusement disposées dans un réseau cristallin. L'eau est moins ordonnée que la glace, mais les molécules d'eau qui coulent ont toujours un ordre sous-jacent. Le point critique est là où les choses oscillent entre ces deux types d'ordre. C'est le point où les molécules d'H2O veulent en quelque sorte suivre le modèle en fonction de la glace et en quelque sorte suivre le modèle en fonction de l'eau.

"C'est très similaire dans une transition de phase quantique, " a-t-il dit. " Même si cette transition est entraînée par la mécanique quantique, c'est toujours un point critique où il y a une fluctuation maximale entre deux états ordonnés. Dans ce cas, les fluctuations sont liées à l'ordre des « spins » des électrons dans le matériau. »

Le spin est une propriété inhérente, comme la couleur des yeux, et le spin de chaque électron est classé comme étant « vers le haut » ou « vers le bas ». Dans les aimants, comme le fer, les tours sont alignés dans la même direction. Mais de nombreux matériaux présentent le comportement inverse :leurs spins alternent dans une répétition, vers le bas, en haut, motif du bas que les physiciens appellent « antiferromagnétique ».

Des centaines d'expériences sur les fermions lourds, les supraconducteurs à haute température et d'autres matériaux quantiques ont découvert que l'ordre magnétique diffère de chaque côté d'un point critique quantique. Typiquement, les expériences trouvent un ordre antiferromagnétique dans une gamme de composition chimique, et un nouvel état d'ordre de l'autre côté du point critique.

"Une image raisonnable est que vous pouvez avoir un ordre antiferromagnétique de spins, où les tours sont assez ordonnés, et vous pouvez avoir un autre état dans lequel les tours sont moins ordonnés, " dit Si, Rice's Harry C. et Olga K. Wiess Professeur de physique et d'astronomie. "Le point critique est où les fluctuations entre ces deux états sont à leur maximum."

Le composé cérium cuivre-or est devenu un prototype de matériau à fermions lourds pour la criticité quantique, en grande partie grâce au travail du groupe de von Löhneysen.

"En 2000, nous avons fait des expériences de diffusion inélastique de neutrons dans le système critique quantique cérium cuivre-or, " a déclaré von Löhneysen. "Nous avons trouvé un profil spatio-temporel si inhabituel qu'il ne pouvait pas être compris en termes de théorie standard du métal."

Si a déclaré que l'étude était l'un des facteurs importants qui l'ont incité, lui et ses co-auteurs, à proposer leur théorie de 2001, ce qui a aidé à expliquer les résultats déroutants de von Löhneysen. Dans des études ultérieures, Si et ses collègues ont également prédit que l'entropie - une propriété thermodynamique classique - augmenterait à mesure que les fluctuations quantiques augmentaient près d'un point critique quantique. Les propriétés bien documentées du cérium cuivre-or ont fourni une occasion unique de tester la théorie, Si dit.

En cuivre cérium-six, substituer de petites quantités d'or au cuivre permet aux chercheurs d'augmenter légèrement l'espacement entre les atomes. Dans la composition critique, les alliages subissent une transition de phase quantique antiferromagnétique. En étudiant cette composition et en mesurant l'entropie de nombreuses fois dans des conditions de stress variables, l'équipe de Karlsruhe a pu créer une carte en 3D qui montrait comment l'entropie à une température très basse mais finie augmentait régulièrement à mesure que le système approchait du point critique quantique.

Aucune mesure directe de l'entropie n'existe, mais le rapport des changements d'entropie au stress est directement proportionnel à un autre rapport qui peut être mesuré :la quantité d'expansion ou de contraction de l'échantillon en raison des changements de température. Pour permettre les mesures aux températures extraordinairement basses requises, l'équipe de Karlsruhe a développé une méthode pour mesurer avec précision les changements de longueur de moins d'un dixième de trillionième de mètre, soit environ un millième du rayon d'un seul atome.

"Nous avons mesuré l'entropie en fonction de la contrainte appliquée le long de toutes les différentes directions principales, " dit Grube, chercheur principal à l'Institut de technologie de Karlsruhe. "Nous avons fait une carte détaillée du paysage d'entropie dans l'espace des paramètres multidimensionnels et vérifié que le point critique quantique se trouve au sommet de la montagne d'entropie."

Von Löhneysen a déclaré que les mesures thermodynamiques fournissent également de nouvelles informations sur les fluctuations quantiques à proximité du point critique.

"Étonnamment, cette méthodologie nous permet de reconstruire le profil spatial sous-jacent des fluctuations critiques quantiques dans ce matériau critique quantique, ", a-t-il déclaré. "C'est la première fois que ce genre de méthodologie est appliqué."

Si a déclaré qu'il était surprenant que cela puisse être fait en utilisant rien de plus que des mesures d'entropie.

"Il est assez remarquable que le paysage entropique puisse si bien se connecter avec le profil détaillé des fluctuations critiques quantiques déterminées à partir d'expériences microscopiques telles que la diffusion inélastique des neutrons, d'autant plus que les deux finissent par fournir des preuves directes pour étayer la théorie, " il a dit.

Plus généralement, la démonstration de l'augmentation prononcée de l'entropie à un point critique quantique dans un espace de paramètres multidimensionnel apporte de nouvelles connaissances sur la façon dont les interactions électron-électron donnent lieu à une supraconductivité à haute température, Si dit.

"Une façon de soulager l'entropie accumulée d'un point critique quantique est que les électrons du système se réorganisent en de nouvelles phases, " a-t-il dit. " Parmi les phases possibles qui s'ensuivent se trouve la supraconductivité non conventionnelle, dans lequel les électrons s'apparient et forment un état quantique macroscopique cohérent."