Même selon les normes des physiciens quantiques, les métaux étranges sont tout simplement étranges. Les matériaux sont liés aux supraconducteurs à haute température et ont des liens surprenants avec les propriétés des trous noirs. Les électrons dans les métaux étranges dissipent l'énergie aussi vite que le permettent les lois de la mécanique quantique, et la résistivité électrique d'un métal étrange, contrairement à celui des métaux ordinaires, est proportionnel à la température.

Générer une compréhension théorique des métaux étranges est l'un des plus grands défis de la physique de la matière condensée. Maintenant, en utilisant des techniques de calcul de pointe, des chercheurs du Flatiron Institute de New York et de l'Université Cornell ont résolu le premier modèle théorique robuste de métaux étranges. Le travail révèle que les métaux étranges sont un nouvel état de la matière, les chercheurs rapportent le 22 juillet dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Le fait que nous les appelions des métaux étranges devrait vous dire à quel point nous les comprenons, " déclare Olivier Parcollet, co-auteur de l'étude, chercheur principal au Centre de physique quantique computationnelle (CCQ) du Flatiron Institute. "Les métaux étranges partagent des propriétés remarquables avec les trous noirs, ouvrant de nouvelles directions passionnantes pour la physique théorique."

En plus de Parcollet, l'équipe de recherche était composée du doctorant Cornell Peter Cha, Nils Wentzell, chercheur associé à la CCQ, directeur de la CCQ Antoine Georges, et le professeur de physique Cornell Eun-Ah Kim.

Dans le monde de la mécanique quantique, la résistance électrique est un sous-produit des électrons qui heurtent des objets. Lorsque les électrons traversent un métal, ils rebondissent sur d'autres électrons ou impuretés dans le métal. Plus il y a de temps entre ces collisions, plus la résistance électrique du matériau est faible.

Pour les métaux typiques, la résistance électrique augmente avec la température, suivant une équation complexe. Mais dans des cas inhabituels, comme lorsqu'un supraconducteur à haute température est chauffé juste au-dessus du point où il cesse d'être supraconducteur, l'équation devient beaucoup plus simple. Dans un métal étrange, la conductivité électrique est directement liée à la température et à deux constantes fondamentales de l'univers :la constante de Planck et la constante de Boltzmann. Par conséquent, les métaux étranges sont également connus sous le nom de métaux planckiens.

Des modèles de métaux étranges existent depuis des décennies, mais la résolution précise de tels modèles s'est avérée hors de portée avec les méthodes existantes. Les enchevêtrements quantiques entre les électrons signifient que les physiciens ne peuvent pas traiter les électrons individuellement, et le grand nombre de particules dans un matériau rend les calculs encore plus intimidants.

Cha et ses collègues ont utilisé deux méthodes différentes pour résoudre le problème. D'abord, ils ont utilisé une méthode d'inclusion quantique basée sur des idées développées par Georges au début des années 90. Avec cette méthode, au lieu d'effectuer des calculs détaillés sur l'ensemble du système quantique, les physiciens effectuent des calculs détaillés sur quelques atomes seulement et traitent le reste du système plus simplement. Ils ont ensuite utilisé un algorithme de Monte Carlo quantique (du nom du casino méditerranéen), qui utilise un échantillonnage aléatoire pour calculer la réponse à un problème. Les chercheurs ont résolu le modèle des métaux étranges jusqu'au zéro absolu (moins 273,15 degrés Celsius), la limite inférieure inaccessible pour les températures dans l'univers.

Le modèle théorique résultant révèle l'existence de métaux étranges en tant que nouvel état de la matière bordant deux phases de la matière précédemment connues :les verres de spin isolants de Mott et les liquides de Fermi. "Nous avons découvert qu'il y a toute une région dans l'espace des phases qui présente un comportement planckien qui n'appartient à aucune des deux phases entre lesquelles nous passons, " dit Kim. "Cet état liquide de spin quantique n'est pas si verrouillé, mais ce n'est pas non plus totalement gratuit. C'est un paresseux, soupe, état de gadoue. C'est métallique mais à contrecœur métallique, et cela pousse le degré de chaos à la limite de la mécanique quantique."

Les nouveaux travaux pourraient aider les physiciens à mieux comprendre la physique des supraconducteurs à haute température. Peut-être étonnamment, le travail a des liens avec l'astrophysique. Comme des métaux étranges, les trous noirs présentent des propriétés qui ne dépendent que de la température et des constantes de Planck et Boltzmann, comme le temps pendant lequel un trou noir « sonne » après avoir fusionné avec un autre trou noir. « Le fait que vous trouviez cette même échelle dans tous ces différents systèmes, des métaux planckiens aux trous noirs, est fascinant, " dit Parcollet.