Notre compréhension théorique de la manière dont les métaux conduisent l'électricité est incomplète. La taxonomie actuelle semble trop floue et contient trop d'exceptions pour être convaincante. C'est la conclusion à laquelle sont parvenus les scientifiques des matériaux de l'Université de Groningue après avoir examiné en profondeur la littérature récente sur les métaux. Ils ont analysé plus de 30 métaux et montrent qu'une formule simple peut fournir une classification des métaux de manière plus systématique. Leur analyse a été publiée dans Physical Review B le 29 août.

Les métaux conduisent l'électricité, mais pas tous de la même manière. Les scientifiques différencient plusieurs classes de métaux avec des noms tels que "corrélé", "normal", "étrange" ou "ad". Les métaux de ces classes diffèrent, par exemple, dans la façon dont leur résistivité réagit à des températures croissantes. "Nous nous sommes intéressés aux métaux qui pouvaient passer du conducteur à l'isolant et vice versa", explique Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels à l'université de Groningue. Elle est directrice scientifique du centre de recherche CogniGron, qui développe des paradigmes de systèmes centrés sur les matériaux pour l'informatique cognitive. "A cette fin, nous aimerions fabriquer des matériaux qui peuvent être non seulement des isolants ou des conducteurs, mais qui peuvent également changer entre ces états."

Quelque chose d'inattendu

En étudiant la littérature sur la résistivité des métaux, elle et ses collègues ont constaté que la démarcation entre les différentes classes de métaux n'était pas nette. "Nous avons donc décidé d'examiner un large échantillon de métaux." Qikai Guo, ancien chercheur postdoctoral dans l'équipe de Noheda et maintenant à l'École de microélectronique de l'Université du Shandong, en Chine, et leurs collègues de l'Université de Saragosse (Espagne) et du CNRS (France) ont utilisé le changement de résistivité à des températures croissantes comme un outil pour comparer plus de 30 métaux, en partie sur la base des données de la littérature et en partie sur la base de leurs propres mesures.

"La théorie stipule que la réponse de résistivité est dictée par la diffusion des électrons et qu'il existe différents mécanismes de diffusion à différentes températures", explique Noheda. Par exemple, à très basse température, on trouve une augmentation quadratique, qui serait le résultat de la diffusion électron-électron. Pourtant, certains matériaux (métaux "étranges") présentent un comportement strictement linéaire qui n'est pas encore compris. On pensait que la diffusion électron-phonon se produisait à des températures plus élevées, ce qui se traduisait par une augmentation linéaire. Cependant, la diffusion ne peut pas augmenter indéfiniment, ce qui signifie que la saturation doit se produire à une certaine température. "Pourtant, certains métaux ne montrent aucune saturation dans la plage de température mesurable et ceux-ci ont été qualifiés de "mauvais" métaux", explique Noheda.

Lors de l'analyse des réponses des différents types de métaux à l'augmentation des températures, Noheda et ses collègues se sont heurtés à quelque chose d'inattendu :"Nous pourrions adapter tous les ensembles de données avec le même type de formule." Cela s'est avéré être une expansion de Taylor, dans laquelle la résistivité r est décrite comme r =r₀ + A₁ T + A₂ T ² + A₃ T ³ ..., où T est la température, tandis que r₀ et les différentes valeurs A sont des constantes différentes. "Nous avons constaté qu'il suffit d'utiliser un terme linéaire et un terme quadratique pour produire un très bon ajustement pour tous les métaux", explique Noheda.

Plus transparent

Dans l'article, il est montré que le comportement de différents types de métaux est déterminé par l'importance relative de A₁ et A₂ et par la magnitude de r₀ . Noheda dit:"Notre formule est une description purement mathématique, sans aucune hypothèse physique, et dépend de seulement deux paramètres." Cela signifie que les régimes linéaire et quadratique ne décrivent pas différents mécanismes, tels que la diffusion électron-phonon et électron-électron, ils représentent simplement le linéaire (par dissipation incohérente, où la phase de l'onde électronique est modifiée par la diffusion) et non - contributions cohérentes linéaires (où la phase est inchangée) à la diffusion.

De cette façon, une formule peut décrire la résistivité de tous les métaux, qu'ils soient normaux, corrélés, mauvais, étranges ou autres. L'avantage est que tous les métaux peuvent désormais être classés de manière simple et plus transparente pour les non-spécialistes. Mais cette description apporte également une autre récompense :elle montre que le terme de dissipation linéaire à basse température (appelée dissipation planckienne) apparaît dans tous les métaux. Cette universalité est quelque chose à laquelle d'autres avaient déjà fait allusion, mais cette formule montre clairement que c'est bien le cas.

Noheda et ses collègues ne sont pas des spécialistes du métal. "Nous venions de l'extérieur du domaine, ce qui signifiait que nous avions un regard neuf sur les données. Ce qui a mal tourné, à notre avis, c'est que les gens ont cherché du sens et des mécanismes liés aux termes linéaires et quadratiques. Peut-être, certaines des conclusions extraits de cette manière doivent être révisés. Il est bien connu que la théorie dans ce domaine est incomplète. Noheda et ses collègues espèrent que les physiciens théoriciens trouveront maintenant un moyen de réinterpréter certains des résultats précédents grâce à la formule qu'ils ont trouvée. "Mais en attendant, notre description purement phénoménologique nous permet de comparer des métaux de différentes classes." + Explorer plus loin

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