Les électrons dans les métaux essaient de se comporter comme des automobilistes obéissants, mais ils finissent plus comme des autos tamponneuses. Ils peuvent être des conducteurs imprudents, mais une nouvelle étude menée par Cornell confirme que ce chaos a une limite établie par les lois de la mécanique quantique.

Le papier de l'équipe, "Résistivité T-linéaire à partir d'un taux de diffusion planckien isotrope, " écrit en collaboration avec des chercheurs dirigés par Louis Taillefer de l'Université de Sherbrooke au Canada, publié le 28 juillet dans La nature . L'auteur principal de l'article est Gael Grissonnanche, un boursier postdoctoral avec l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique.

Les métaux transportent du courant électrique lorsque les électrons se déplacent tous ensemble en tandem. Dans la plupart des métaux, comme le cuivre et l'or utilisés pour le câblage électrique, les électrons essaient de s'éviter et circulent à l'unisson. Cependant, dans le cas de certains métaux "étranges", cette harmonie est rompue et les électrons dissipent l'énergie en rebondissant les uns sur les autres au rythme le plus rapide possible. Les lois de la mécanique quantique jouent essentiellement le rôle d'un flic du trafic d'électrons, dicter une limite supérieure à la fréquence à laquelle ces collisions peuvent se produire. Les scientifiques ont précédemment observé cette limite sur le taux de collision, également connue sous le nom de "limite planckienne, " mais il n'y a pas de théorie concrète qui explique pourquoi la limite devrait exister, on ne savait pas non plus comment les électrons atteignent cette limite dans les métaux étranges. Alors Ramshaw et ses collaborateurs ont entrepris de le mesurer soigneusement.

« Empiriquement, nous savons que les électrons ne peuvent rebondir les uns sur les autres que si rapidement. Mais nous ne savons pas pourquoi, " a déclaré Brad Ramshaw, le professeur adjoint Dick &Dale Reis Johnson au Collège des arts et des sciences, et l'auteur principal de l'article. "Avant, la «limite planckienne» a été en quelque sorte déduite à partir de données utilisant des modèles très simples. Nous avons fait une mesure et un calcul très minutieux et avons montré qu'il est vraiment respecté jusque dans les moindres détails. Et nous avons trouvé que c'est isotrope, c'est donc la même chose pour les électrons voyageant dans n'importe quelle direction. Et ça a été une grosse surprise."

Les chercheurs ont concentré leur étude sur un supraconducteur à haute température à base d'oxyde de cuivre connu sous le nom de cuprate. En collaboration avec des collaborateurs du National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride, ils ont introduit un échantillon de cuprate métallique dans un aimant hybride de 45 teslas - qui détient le record du monde pour la création du champ magnétique continu le plus élevé - et ont enregistré le changement de la résistance électrique de l'échantillon tout en déplaçant l'angle du champ magnétique. L'équipe de Ramshaw a ensuite passé la majeure partie de deux ans à créer un logiciel d'analyse de données numériques pour extraire les informations pertinentes.

Étonnamment, ils ont pu analyser leurs données avec les mêmes équations relativement simples utilisées pour les métaux conventionnels, et ils ont découvert que les électrons du cuprate métallique obéissaient à la limite de Planck.

"Cette approche que nous avons utilisée était censée être trop naïve, " a déclaré Grissonnanche. "Pour les scientifiques dans le domaine, il n'est pas évident a priori que cela fonctionne, mais ça le fait. Alors avec cette nouvelle découverte, nous avons fait d'une pierre deux coups :nous avons étendu la validité de cette approche simple aux métaux étranges et nous avons mesuré avec précision la limite planckienne. Nous découvrons enfin l'énigme derrière les mouvements intenses des électrons dans des métaux étranges."

"Cela ne semble pas dépendre des détails du matériau en particulier, " A déclaré Taillefer. " Il doit donc s'agir de quelque chose qui ressemble presque à un principe primordial, insensible aux détails."

Ramshaw pense que d'autres chercheurs peuvent désormais utiliser ce cadre de calcul pour analyser une large classe de problèmes et de phénomènes expérimentaux. Après tout, si ça marche dans des métaux étranges, cela devrait fonctionner dans de nombreux autres domaines.

Et peut-être que ces métaux étranges sont un peu plus ordonnés qu'on ne le pensait auparavant.

"Vous avez ces ingrédients microscopiques extrêmement compliqués et la mécanique quantique et puis, de l'autre côté, vous obtenez une loi très simple, qui est le taux de diffusion ne dépend que de la température et rien d'autre, avec une pente égale aux constantes fondamentales de la nature que nous connaissons, " a-t-il dit. " Et cette émergence de quelque chose de simple à partir d'ingrédients aussi compliqués est vraiment belle et convaincante. "

De telles découvertes peuvent également permettre une meilleure compréhension des connexions entre les systèmes quantiques et des phénomènes similaires en gravitation, comme la physique des trous noirs - en effet, faire le pont entre le monde étourdissant de la mécanique quantique et ses théories « duales » en relativité générale, deux branches de la physique que les scientifiques tentent de concilier depuis près d'un siècle.

Les co-auteurs incluent le doctorant Yawen Fang et des chercheurs de l'Université de Sherbrooke au Canada, Université du Texas à Austin, le National High Magnetic Field Laboratory et l'Université de Warwick au Royaume-Uni.