Des scientifiques du Laboratoire national de champ magnétique élevé, dont le siège est à la Florida State University, ont découvert un comportement dans des matériaux appelés cuprates qui suggère qu'ils transportent le courant d'une manière totalement différente des métaux conventionnels tels que le cuivre.

La recherche, publié aujourd'hui dans la revue Science , ajoute un nouveau sens au surnom des matériaux, « métaux étranges ».

Les cuprates sont des supraconducteurs à haute température (HTS), ce qui signifie qu'ils peuvent transporter du courant sans aucune perte d'énergie à des températures un peu plus chaudes que conventionnelles, supraconducteurs à basse température (LTS). Bien que les scientifiques comprennent la physique du LTS, ils n'ont pas encore percé la noix des matériaux HTS. La façon exacte dont les électrons voyagent à travers ces matériaux reste le plus grand mystère du domaine.

Pour leurs recherches sur un cuprate spécifique, oxyde de lanthane strontium cuivre (LSCO), une équipe dirigée par le physicien du MagLab Arkady Shekhter s'est concentrée sur sa normale, état métallique - l'état à partir duquel la supraconductivité émerge finalement lorsque la température baisse suffisamment. Cet état normal des cuprates est connu sous le nom de métal « étrange » ou « mauvais », en partie parce que les électrons ne conduisent pas particulièrement bien l'électricité.

Les scientifiques étudient les métaux conventionnels depuis plus d'un siècle et s'accordent généralement sur la façon dont l'électricité les traverse. Ils appellent les unités qui transportent des charges à travers ces métaux "quasiparticles, " qui sont essentiellement des électrons après prise en compte de leur environnement. Ces quasiparticules agissent presque indépendamment les unes des autres car elles transportent une charge électrique à travers un conducteur.

Mais le flux de quasiparticules explique-t-il également comment le courant électrique se déplace dans les cuprates ? À l'installation de champ pulsé du National MagLab à Los Alamos, Nouveau Mexique, Shekhter et son équipe ont enquêté sur la question. Ils placent le LSCO dans un champ magnétique très élevé, lui applique un courant, puis mesuré la résistance.

Les données obtenues ont révélé que le courant ne peut pas, En réalité, voyager via des quasi-particules conventionnelles, comme dans le cuivre ou le silicium dopé. L'état métallique normal du cuprate, il est apparu, était tout sauf normal.

"C'est une nouvelle façon dont les métaux peuvent conduire l'électricité qui n'est pas un tas de quasi-particules volant autour, qui est la seule langue bien comprise et acceptée à ce jour, " Shekhter a dit. " La plupart des métaux fonctionnent comme ça. "

Sinon par des quasiparticules, Comment la charge est-elle transportée exactement dans l'étrange phase métallique du LSCO ? Les données suggèrent qu'il peut s'agir d'une sorte d'effort d'équipe de la part des électrons.

Les scientifiques connaissent depuis un certain temps un comportement intrigant du LSCO :dans son état conducteur normal, la résistivité change linéairement avec la température. En d'autres termes, au fur et à mesure que la température monte, La résistance du LSCO au courant électrique augmente proportionnellement, ce qui n'est pas le cas des métaux conventionnels.

Shekhter et ses collègues ont décidé de tester la résistivité de LSCO, mais en utilisant le champ magnétique comme paramètre au lieu de la température. Ils ont placé le matériau dans un aimant très puissant et mesuré la résistivité dans des champs allant jusqu'à 80 teslas. (Un aimant d'IRM d'hôpital, par comparaison, génère un champ d'environ 3 teslas). Ils ont découvert un autre cas de résistivité linéaire :à mesure que la force du champ magnétique augmentait, La résistivité du LSCO a augmenté proportionnellement.

Le fait que la résistivité linéaire dans le champ reflète si élégamment la résistivité linéaire en température précédemment connue du LSCO est très significatif, dit Shekhter.

"Habituellement, quand vous voyez de telles choses, cela signifie que c'est un principe très simple derrière, " il a dit.

La découverte suggère que les électrons semblent coopérer lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau. Les physiciens pensent depuis un certain temps que les matériaux HTS présentent un tel "comportement électronique corrélé" dans la phase supraconductrice, bien que le mécanisme précis ne soit pas encore compris.

Cette nouvelle preuve suggère que le LSCO dans son état conducteur normal peut également transporter du courant en utilisant autre chose que des quasiparticules indépendantes, bien que ce ne soit pas de la supraconductivité, Soit. Qu'est-ce que ce "quelque chose", les scientifiques ne sont pas encore certains. Trouver la réponse peut nécessiter une toute nouvelle façon d'aborder le problème.

"Ici, nous avons une situation où aucune langue existante ne peut aider, " a déclaré Shekhter. "Nous devons trouver un nouveau langage pour penser à ces matériaux."

La nouvelle recherche soulève de nombreuses questions et des idées alléchantes, y compris des idées sur la manière fondamentalement différente dont la résistivité pourrait être réglée dans les cuprates. Dans les métaux conventionnels, a expliqué Shekhter, la résistivité peut être réglée de plusieurs manières :imaginez un ensemble de cadrans, dont tout pourrait ajuster cette propriété.

Mais dans les cuprates, Shekhter a dit, "Il n'y a qu'un seul cadran pour régler la résistivité. Et à la fois la température et le champ magnétique, à leur manière, accéder à ce cadran."

Impair, En effet. Mais de métaux étranges, on s'attendrait à rien de moins.