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Posté par Redbran le Vendredi 20/04/2018 à 12:00
Quand la supraconductivité disparaît dans un tube quantique
En remplaçant les électrons par des atomes ultrafroids, un groupe de physiciens a créé un matériau parfaitement propre qui révèle de nouveaux états de la matière au niveau quantique.


Grâce à un faisceau laser, les réservoirs d’atomes (en noir, de part et d’autre de l’illustration) sont reliés entre eux par un tube quantique dans lequel ils se déplacent. Leur mouvement peut être influencé par un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...) d’obstacles lumineux (les lignes vertes), projetés sur le tube par un objectif microscopique. © UNIGE Esslinger group ETH Zurich

Le comportement des électrons dans un matériau est généralement difficile à prévoir. En les remplaçant par des atomes neutres de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) ultra-froid qu’ils ont fait circuler dans un tube quantique unidimensionnel, des physiciens de l’Université de Genève (UNIGE), de l’ETH Zurich et de l’EPFL ont pu confirmer un état inhabituel de la matière, qui reste isolante quelle que soit le niveau d’attraction entre les particules. Leurs travaux, à découvrir dans PRX, ouvrent la voie à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de nouveaux matériaux aux propriétés atypiques.

Le fait qu’un matériau soit un métal ou un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants...) dépend d’une série de détails microscopiques, tels que la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) des interactions entre électrons, la présence d’impuretés ou d’obstacles, ou encore le nombre de dimensions à travers lesquelles les porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu...) peuvent se propager. Cette complexité rend très difficile la prédiction des propriétés électroniques d’un matériau donné. Car si on sait parfaitement modéliser la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d’une particule dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), on peine à le faire dans un matériau, un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...) par exemple, où les électrons circulent entre des noyaux d’atomes chargés positivement. Ces derniers génèrent un potentiel périodique, un peu comme une série de crêtes qui influerait sur le déplacement des électrons, compliquant les prédictions. Le matériau sera-t-il un métal ? Un isolant ? Un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...) ? Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) dépendra de deux paramètres, la force de l’interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre les électrons et celle du potentiel périodique.

La réponse est venue de l’échange constant entre un groupe de théoriciens, emmené par Thierry Giamarchi, professeur au Département de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) de la matière quantique, section de physique de la Faculté des sciences de l’UNIGE, et les groupes expérimentaux basés à Zurich et Lausanne, pilotés par Martin Lebrat, du groupe du professeur Tilman Esslinger de l’Institute for Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...) Electronics de l’ETH Zurich et par Jean-Philippe Brantut, professeur à l’EPFL.

L’endroit le plus froid de l’Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)

Les chercheurs se sont attaqué au problème en menant leurs expériences dans un matériau artificiel parfaitement propre, qui leur a permis de contrôler aussi bien l’interaction que le potentiel périodique. Au lieu de faire circuler des électrons dont les interactions à longue portée compliquent les prédictions, ils ont eu recours à des atomes neutres de lithium-6 ultra-froids qu’ils ont stocké grâce à un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) dans deux réservoirs sans bords, de véritables «bols de lumière». «Le cœur de cette expérience est l’endroit le plus froid de l’Univers, la température n’y atteint que 70 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, bien plus basse que celle du vide intersidéral», s’enthousiasme Thierry Giamarchi.

Les réservoirs d’atomes ont ensuite été reliés par un tube quantique unidimensionnel au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse...) duquel un autre laser est venu simuler les « crêtes » du potentiel périodique. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer la conductivité du tube tout en faisant varier les paramètres pertinents, y compris la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) et la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) du potentiel périodique et les interactions entre les particules qui le traversent. Ils ont mis en évidence un état inhabituel de la matière, prédit par la théorie mais que personne n’avait pu observer jusque-là: un isolant de bande qui se maintient quelle que soit la force de l’interaction attractive entre les particules.

On pourrait conclure intuitivement que plus l’attraction entre particules est forte, plus le matériau tendra à être conducteur ou supraconducteur. « C’est vrai dans le monde (Le mot monde peut désigner :) en trois dimensions, mais dans le monde quantique à basse dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...), c’est une légende urbaine », s’exclame Thierry Giamarchi. « Lorsqu’on parvient à confiner le matériau dans un tube quantique unidimensionnel avec un potentiel périodique, il reste toujours isolant, même dans le cas d’une attraction infinie. »

La très grande flexibilité offerte par cette recherche ouvre la voie à la création de structures complexes. « On peut voir ce système comme une sorte de simulateur qui permettra de définir les ingrédients à utiliser pour créer un matériau qui n’existe pas encore, et qui pourrait répondre à des besoins dans de futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) systèmes électroniques, par exemple dans les ordinateurs quantiques », conclut Thierry Giamarchi.

Contact chercheur:
Thierry Giamarchi - Professeur au Département de la physique de la matière quantique
section de physique de la Faculté des sciences

Référence publication:
PRX
DOI: 10.1103/PhysRevX.8.011053

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