En physique du solide, les interactions précises des électrons sont analysées grâce à un travail de détective minutieux, à terme pour mieux comprendre les phénomènes physiques fondamentaux.

Ce n'est pas une surprise pour les fans du genre thriller que pour résoudre une affaire, les empreintes digitales doivent être soigneusement localisées sur les lieux du crime. Dans la physique du solide moderne, les scientifiques recherchent des processus de diffusion, des interactions entre électrons, qui détiennent les indices nécessaires pour se rapprocher de la vérité.

Révéler ces indices cruciaux est particulièrement difficile dans le cas de matériaux complexes, où de nombreux électrons jouent un rôle simultanément. Dans les "systèmes à plusieurs électrons", " Des milliards d'électrons peuvent être connectés les uns aux autres et échanger de l'énergie et de la quantité de mouvement. À l'Université de technologie de Vienne, l'Université de Tübingen et l'École Polytechnique de Paris, les chercheurs ont fait d'importants progrès :à l'aide d'une analyse précise, de nouvelles structures ont été identifiées - des modèles caractéristiques dans les processus de diffusion complexes qui peuvent aider à « éclaircir l'affaire ».

Processus de diffusion et propriétés des matériaux

Entre autres propriétés, les processus de diffusion déterminent la mobilité des porteurs de charge et contrôlent ainsi si le système présente finalement un métal, comportement isolant voire supraconducteur. Tout simplement, ces quantités mathématiques reflètent la force avec laquelle les électrons interagissent. A l'aide de simulations informatiques poussées, les chercheurs sur la matière condensée tentent de déterminer les propriétés physiques des systèmes à plusieurs électrons, et finalement répondre aux questions fondamentales de la physique du solide, par exemple :« Comment fonctionnent les supraconducteurs non conventionnels ? ou "Comment les transitions de phase physiques quantiques ont-elles lieu au zéro absolu?"

Une équipe de recherche internationale, dont le groupe du professeur Alessandro Toschi (Patrick Chalupa, Matthias Reitner et Daniel Springer) de la TU Wien, Professeur Sabine Andergassen de l'Université de Tübingen et Thomas Schäfer de l'École Polytechnique de Paris, a réalisé des progrès importants à cet égard. Une analyse approfondie des processus de diffusion et leur comparaison dans différentes situations physiques a permis d'identifier des « empreintes digitales » nettes. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

De nouvelles connexions découvertes

Semblable aux médecins légistes sur une scène de crime, les chercheurs ont essayé de relier de nombreux petits détails pour voir la situation dans son ensemble. Ils ont réussi à identifier des structures caractéristiques dans les quantités mathématiques complexes qui décrivent les processus de diffusion et à relier ces structures à deux phénomènes fondamentaux de la physique du solide. Ces phénomènes fondamentaux se sont avérés être la formation de moments magnétiques locaux ainsi que leur écran dû à l'effet dit Kondo, qui contrôlent tous deux de manière cruciale la mobilité des électrons. Cette nouvelle connexion permet de reconnaître les effets physiques pertinents dans les processus de diffusion complexes en un seul coup d'œil. En identifiant ces « empreintes digitales, " il a même été possible de découvrir un critère alternatif pour déterminer l'une des échelles d'énergie les plus fondamentales de la physique théorique du solide :la température de Kondo.

Finalement, ces découvertes pourraient jeter un nouvel éclairage sur des mystères jusque-là non résolus de la physique du solide, par exemple, criticité quantique dans les systèmes à fermions lourds, supraconductivité non conventionnelle dans les matériaux quantiques fortement corrélés et phénomènes magnétiques surprenants dans les oxydes de métaux de transition. La détermination correcte des empreintes quantiques sous-jacentes pourrait mettre la recherche sur la bonne voie pour comprendre ces systèmes à un niveau fondamental.