Les recherches révolutionnaires de l’Université Rice sur un matériau quantique « métal étrange » révèlent un flux électrique non conventionnel, défiant la théorie traditionnelle des quasiparticules. Cette découverte, réalisée grâce à des expériences détaillées sur le bruit de grenaille, suggère une nouvelle compréhension du mouvement des charges dans les métaux étranges et fait allusion à un phénomène plus large et universel dans les matériaux quantiques.
Les physiciens du riz trouvent des preuves de transport de charges exotiques dans le matériau quantique.
Fidèle à son habitude, un matériau quantique « métallique étrange » s’est révélé étrangement silencieux lors de récentes expériences sur le bruit quantique à l’Université Rice. Publié le 23 novembre dans la revue Scienceles mesures des fluctuations de charge quantique connues sous le nom de « bruit de tir » fournissent la première preuve directe que l’électricité semble circuler à travers des métaux étranges sous une forme liquide inhabituelle qui ne peut pas être facilement expliquée en termes de paquets de charge quantifiés appelés quasiparticules.
« Le bruit est considérablement supprimé par rapport aux fils ordinaires », a déclaré Douglas Natelson de Rice, auteur correspondant de l’étude. «C’est peut-être la preuve que les quasiparticules ne sont pas des choses bien définies ou qu’elles ne sont tout simplement pas là et que leurs charges se déplacent de manière plus compliquée. Nous devons trouver le bon vocabulaire pour parler de la manière dont les charges peuvent évoluer collectivement.
Image au microscope électronique à balayage d’un long fil YbRh2Si2. Crédit : Liyang Chen/groupe de recherche Natalson/Université Rice
Expériences sur les matériaux critiques quantiques
Les expériences ont été réalisées sur à l’échelle nanométrique fils d’un matériau critique quantique avec un rapport précis 1-2-2 d’ytterbium, de rhodium et de silicium (YbRh2Si2), qui a été étudié en profondeur au cours des deux dernières décennies par Silke Paschen, physicienne du solide à l’Université de Vienne. Université de technologie (TU Vienne). Le matériau contient un degré élevé d’intrication quantique qui produit un comportement dépendant de la température très inhabituel (« étrange ») et très différent de celui des métaux normaux tels que l’argent ou l’or.
Dans ces métaux normaux, chaque quasi-particule, ou unité discrète, de charge est le produit de minuscules interactions incalculables entre d’innombrables électrons. Proposée pour la première fois il y a 67 ans, la quasiparticule est un concept utilisé par les physiciens pour représenter l’effet combiné de ces interactions sous la forme d’un objet quantique unique à des fins de calculs de mécanique quantique.
Doug Natelson, physicien à l’Université Rice. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Théorie et preuves empiriques
Certaines études théoriques antérieures ont suggéré que la charge d’un métal étrange pourrait ne pas être transportée par de telles quasi-particules, et des expériences de bruit de tir ont permis à Natelson, à l’auteur principal de l’étude, Liyang Chen, un ancien étudiant du laboratoire de Natelson, et à d’autres co-auteurs de Rice et TU Wien. rassembler les premières preuves empiriques directes pour tester l’idée.
« La mesure du bruit de tir est essentiellement un moyen de voir à quel point la charge est granulaire lorsqu’elle traverse quelque chose », a déclaré Natelson. « L’idée est que si je conduis un courant, celui-ci est constitué d’un ensemble de porteurs de charge discrets. Ceux-ci arrivent à un rythme moyen, mais parfois ils se rapprochent dans le temps, et parfois ils sont plus éloignés.
Les physiciens Liyang Chen (à gauche) et Doug Natelson. Crédit : D. Natelson/Université Rice
Défis techniques et avancées
L’application de la technique aux cristaux YbRh2Si2 présentait des défis techniques importants. Les expériences de bruit de grenaille ne peuvent pas être réalisées sur des cristaux macroscopiques uniques mais nécessitent plutôt des échantillons de dimensions nanoscopiques. Il fallait donc réaliser la croissance de films extrêmement fins mais néanmoins parfaitement cristallins, ce que Paschen, Maxwell Andrews et leurs collaborateurs de la TU Wien ont réussi après près d’une décennie de travail acharné. Ensuite, Chen a dû trouver un moyen de maintenir ce niveau de perfection tout en fabriquant des fils à partir de ces films minces environ 5 000 fois plus étroits qu’un cheveu humain.
Les physiciennes Silke Paschen (à gauche) de l’Université technologique de Vienne et Qimiao Si de l’Université Rice. Crédit : Tommy LaVergne/Université Rice
Perspectives théoriques et implications futures
Qimiao Si, co-auteur de Rice, théoricien principal de l’étude et professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess, a déclaré que lui, Natelson et Paschen avaient discuté pour la première fois de l’idée des expériences alors que Paschen était chercheur invité à Rice. en 2016. Si a déclaré que les résultats sont cohérents avec une théorie de la criticité quantique qu’il a publiée en 2001 et qu’il a continué à explorer au cours d’une collaboration de près de deux décennies avec Paschen.
« Le faible bruit de tir a apporté de nouvelles connaissances sur la manière dont les porteurs de courant de charge s’entrelacent avec les autres agents de la criticité quantique qui sous-tend l’étrange métallicité », a déclaré Si, dont le groupe a effectué des calculs qui excluaient l’image des quasiparticules. « Dans cette théorie de la criticité quantique, les électrons sont poussés au bord de la localisation et les quasiparticules se perdent partout sur la surface de Fermi. »
Natelson a déclaré que la plus grande question est de savoir si un comportement similaire pourrait survenir dans l’un ou l’ensemble des dizaines d’autres composés présentant un comportement métallique étrange.
« Parfois, vous avez l’impression que la nature vous dit quelque chose », a déclaré Natelson. « Cette « étrange métallicité » apparaît dans de nombreux systèmes physiques différents, malgré le fait que la physique microscopique sous-jacente est très différente. Dans les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre, par exemple, la physique microscopique est très, très différente de celle du système à fermions lourds que nous étudions. Ils semblent tous avoir cette résistivité linéaire en température qui est caractéristique des métaux étranges, et il faut se demander s’il se passe quelque chose de générique qui est indépendant des éléments de base microscopiques qu’ils contiennent.
La recherche a été soutenue par le programme des sciences énergétiques fondamentales du ministère de l’Énergie (DE-FG02-06ER46337), la Fondation nationale de la science (1704264, 2220603), le Conseil européen de la recherche (101055088), le Fonds scientifique autrichien (FWF I4047, FWF SFB F 86), l’Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG 2156529, FFG 883941), le programme Horizon 2020 de l’Union européenne (824109-EMP), l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air (FA8665-22-1-7170), la Fondation Welch (C -1411) et la bourse de recherche Vannevar Bush (ONR-VB-N00014-23-1-2870).
