Si vous voyez des gens marcher dans une rue et arriver à un carrefour, il est difficile de prédire quelle direction ils pourraient prendre. Mais, si vous voyez des gens assis dans des bateaux séparés, flottant sur un ruisseau, et le flux se divise en deux canaux, il est probable que la plupart, sinon tout, d'entre eux seront acheminés sur un canal, le canal qui a le débit le plus fort.

Les scientifiques de l'unité de dynamique quantique de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) étudient quelque chose de similaire, mais leur recherche est à une échelle beaucoup plus petite. Ils mènent des expériences pour voir comment le mouvement des électrons est influencé par le fluide. Cette étude a été publiée dans Lettres d'examen physique .

Professeur Denis Konstantinov, qui dirige l'Unité, a démontré le concept avec un morceau de fil. "Si nous faisons passer un courant électrique à travers un morceau de fil, alors nous savons que les électrons vont se déplacer d'un bout à l'autre. Si nous divisons le fil en deux, la moitié des électrons couleront d'un côté, et l'autre moitié coulera dans l'autre."

Ceci est dû à la loi d'Ohm, une loi physique, qui stipule que le courant électrique est proportionnel à la tension et inversement proportionnel à la résistance, donc si la résistance se répartit également entre deux canaux, la moitié des électrons descendront chaque canal.

"Mais, " expliqua le professeur Konstantinov. " Si les électrons sont assis sur du liquide, plutôt que dans un solide, ils pourraient enfreindre la loi d'Ohm. C'est ce que nous voulions mesurer."

Cette théorie vient du concept de polaron, qui est un électron qui est "habillé" par un nuage du milieu dans lequel il se trouve. Cela le rend plus lourd, plus lent et change son comportement. Auparavant, les polarons ont été discutés en termes de cristaux ioniques dans les solides, mais beaucoup plus rarement dans les liquides.

Les chercheurs ont utilisé de l'hélium superfluide, qui a plusieurs propriétés uniques. Par exemple, il reste sous forme liquide à des températures allant jusqu'au zéro absolu, quand tout autre liquide gèlerait, et se comporte comme un fluide à viscosité nulle, ou pas de résistance. Les électrons ne pourraient s'asseoir que sur le dessus, plutôt que de couler. Ainsi, il a fourni aux chercheurs un système d'électrons 2-D.

Ils ont créé une petite structure, à l'échelle du micromètre, de trois réservoirs reliés par une jonction en T, et légèrement submergé cette structure dans l'hélium superfluide.

Au fur et à mesure que les électrons se déplaçaient et perturbaient le liquide, ils ont créé des ondes capillaires, ou des ondulations. A des densités d'électrons élevées, les électrons se sont retrouvés piégés dans la fossette peu profonde des vagues. Ceux-ci sont légèrement différents des polarons traditionnels, alors les chercheurs les ont appelés ripplopolarons, inspirés par leurs similitudes avec les ondulations sur l'eau.

"La loi d'Ohm stipule que les électrons doivent se séparer à la jonction en T, " a déclaré le professeur Konstantinov, "Mais, en raison de la conservation de la quantité de mouvement, le flux de fluide doit continuer à suivre le chemin rectiligne. Nous avons théorisé que les ripplopolarons – les électrons piégés – briseraient la loi d'Ohm et seraient tous transportés dans la même direction. »

Les chercheurs ont appliqué un champ électrique, qui a déplacé les ripplopolarons hors du réservoir gauche. Alors qu'ils se déplaçaient le long du canal, ils sont arrivés à la jonction, et pourrait soit tourner et aller au réservoir latéral, soit continuer tout droit jusqu'au réservoir de droite.

C'était comme les chercheurs l'avaient prédit. Les ripplopolarons continuaient tout droit du réservoir gauche au réservoir droit, suivant la conservation de la quantité de mouvement plutôt que la loi d'Ohm.

Cependant, ce comportement contraire à la loi ne s'est produit que dans certaines situations. La densité d'électrons devait être élevée, ou les ripplopolarons ne se formeraient pas, et la température devait être basse, ou les vagues s'effondreraient simplement. Lorsque les chercheurs ont mené l'expérience dans la direction opposée, ils ont retrouvé le même mouvement unidirectionnel, mais quand ils ont fait sortir les électrons du réservoir latéral, ils ont découvert que les ripplopolarons s'écraseraient contre le mur au sommet, les ondes disparaîtraient et les électrons [désormais libres] suivraient à nouveau la loi d'Ohm.

Bien qu'il existe des applications pour comprendre le fonctionnement des électrons, cette expérience était principalement motivée par la curiosité. "Nous voulions savoir comment les électrons sont influencés par le milieu dans lequel ils se trouvent, " a déclaré le professeur Konstantinov, "Pour nous, c'était la découverte qui était passionnante. Mais il est également important que nous comprenions ces propriétés. Les électrons dans les fluides pourraient être utiles pour construire des qubits, les minuscules pièces qui composent les ordinateurs quantiques. Si nous pouvions utiliser les électrons dans les fluides pour les qubits, nous pourrions créer un flexible, architecture mobile pour les ordinateurs."