Le "métal étrange" est étrangement silencieux lors d'une expérience sur le bruit
Fidèle à lui-même, un matériau quantique de type "métal étrange" s'est révélé étrangement silencieux lors de récentes expériences de bruit quantique menées à l'université de Rice. Les mesures des fluctuations de la charge quantique, connues sous le nom de "bruit de grenaille", fournissent la première preuve directe que l'électricité semble circuler dans les métaux étranges sous une forme liquide inhabituelle qui ne peut pas être facilement expliquée en termes de paquets de charge quantifiés, connus sous le nom de quasiparticules.
"Le bruit est considérablement réduit 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 n'existent tout simplement pas et que la charge se déplace de manière plus compliquée. Nous devons trouver le bon vocabulaire pour parler de la façon dont la charge peut se déplacer collectivement".
Les expériences ont été réalisées sur des fils nanométriques d'un matériau critique quantique présentant un rapport 1-2-2 précis entre l'ytterbium, le rhodium et le silicium (YbRh2Si2), qui a été étudié en profondeur au cours des deux dernières décennies par Silke Paschen, physicienne du solide à l'université de technologie de Vienne (TU Wien). Ce matériau contient un degré élevé d'enchevêtrement quantique qui produit un comportement très inhabituel ("étrange") en fonction de la température, très différent de celui des métaux normaux tels que l'argent ou l'or.
Dans ces métaux normaux, chaque quasiparticule, ou unité discrète, de charge est le produit d'incalculables interactions minuscules entre d'innombrables électrons. Présentée 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 aux fins des calculs de mécanique quantique.
Certaines études théoriques antérieures ont suggéré que la charge d'un métal étrange pourrait ne pas être portée par de telles quasiparticules, et les expériences sur le bruit de grenaille ont permis à Natelson, à l'auteur principal de l'étude, Liyang Chen, un ancien étudiant du laboratoire de Natelson, et à d'autres coauteurs de Rice et de la TU Wien de rassembler les premières preuves empiriques directes pour tester cette idée.
"La mesure du bruit de grenaille est essentiellement un moyen de voir à quel point la charge est granulaire lorsqu'elle traverse quelque chose", explique M. Natelson. "L'idée est que si je fais circuler un courant, celui-ci est constitué d'un ensemble de porteurs de charge discrets. Ceux-ci arrivent à un rythme moyen, mais ils sont parfois plus proches les uns des autres dans le temps, et parfois plus éloignés".
L'application de la technique aux cristaux d'YbRh2Si2 a posé d'importants défis techniques. Les expériences sur le bruit de grenaille ne peuvent pas être réalisées sur des cristaux macroscopiques uniques, mais nécessitent des échantillons de dimensions nanoscopiques. Il fallait donc parvenir à faire croître des films extrêmement fins mais néanmoins parfaitement cristallins, ce que Paschen, Maxwell Andrews et leurs collaborateurs de l'Université technique de Vienne ont réussi à faire après près d'une décennie de travail acharné. Ensuite, Chen a dû trouver un moyen de maintenir ce niveau de perfection tout en façonnant des fils à partir de ces films minces qui étaient environ 5 000 fois plus étroits qu'un cheveu humain.
Qimiao Si, co-auteur à 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 ont d'abord discuté de l'idée des expériences lorsque 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 dans le cadre d'une collaboration de près de deux décennies avec Paschen.
"Le faible bruit de grenaille a apporté de nouvelles idées sur la façon 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 ont exclu l'image de la quasiparticule. "Dans cette théorie de la criticité quantique, les électrons sont poussés à la limite de la localisation et les quasiparticules sont perdues partout sur la surface de Fermi.
Selon M. Natelson, la question la plus importante est de savoir si un comportement similaire pourrait se produire dans l'un ou l'autre des dizaines d'autres composés qui présentent un comportement métallique étrange.
"Parfois, on a l'impression que la nature nous dit quelque chose", a déclaré M. Natelson. Cette "métallicité étrange" apparaît dans de nombreux systèmes physiques différents, bien que la physique microscopique sous-jacente soit très différente. Dans les supraconducteurs à oxyde de cuivre, par exemple, la physique microscopique est très, très différente de celle du système à fermion lourd que nous étudions. Ils semblent tous avoir cette résistivité linéaire en fonction de la température qui est caractéristique des métaux étranges, et on peut se demander s'il se passe quelque chose de générique qui est indépendant des blocs de construction microscopiques qu'ils contiennent".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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