Un nouvel état de la matière découvert par le calcul

Des chercheurs en physique théorique ont trouvé des preuves de l'existence d'un nouvel état quantique appelé "superfluide métallique" à l'aide de calculs numériques. S'il pouvait être observé expérimentalement, le superfluide serait un nouveau membre de la famille des "super" états qui inclut déjà les supraconducteurs, les superfluides liquides et gazeux, et les supersolides. Ce nouvel état pourrait apparaître pour l'hydrogène ou un de ses isotopes sous très haute pression.


Aux ultra-basses températures, la longueur d'onde de de Broglie des particules devient comparable à la distance entre celles-ci et ceci a comme conséquence de nouveaux états de la matière possédant des propriétés exotiques et contraires à l'intuition. Dans les supraconducteurs, par exemple, les électrons se déplacent sans résistance électrique, alors que les superfluides peuvent s'écouler sans aucun frottement interne.

L'année dernière, Egor Babaev et Asle Sudbo de l'Université norvégienne de Science et de Technologie à Trondheim et Neil Ashcroft de l'Université de Cornell ont prédit que l'hydrogène métallique liquide, essentiellement un liquide de protons et d'électrons qui se forme sous pression extrême, pouvait posséder deux super états. Un de ces états est un superfluide supraconducteur qui n'a aucune viscosité ni résistance électrique, et l'autre est un superfluide métallique qui présente une résistance électrique mais aucune viscosité.

Les chercheurs ont désormais démontré l'existence de l'état superfluide métallique au moyen de calculs numériques exécutés au centre de calcul à Hautes Performances de Norvège à Trondheim. Le nouvel état se compose de vortex électroniques et protoniques, ce que Sudbo appelle des "tornades quantiques". Quand les électrons et les protons s'écoulent dans la même direction, il n'existe aucune résistance électrique. Cependant, quand ils se déplacent dans des directions opposées, la résistance apparaît.

"Actuellement il n'est pas possible d'atteindre les pressions d'environ 4 millions d'atmosphères qui sont nécessaires pour observer l'état de superfluide métallique", indique Sudbo, "mais des découvertes récentes dans la synthèse de diamants artificiels ultra-durs de l'Institut Carnegie à Washington laissent présager que des pressions de dix millions d'atmosphères peuvent être envisagées pour les prochaines années. Si tout va bien le superfluide métallique pourra être observé expérimentalement dans les cinq à dix années à venir".

Les scientifiques pensent que le nouvel état superfluide contient des paires de Cooper de protons et d'électrons à basses températures, ce qui signifie qu'il serait radicalement différent des autres fluides quantiques. Cependant, le travail théorique effectué jusqu'ici a été basé sur les principes fondamentaux de symétrie et une théorie plus détaillée doit être développée.

Légende de l'illustration: Etat de vortex à l'intérieur d'un superfluide métallique.
Les vortex électroniques (bleu) et protoniques (rouges), ou tornades quantiques, ne permettent pas à un électron ou à un proton de s'écouler à travers le système sans atténuation. Cependant, quelques électrons accompagnés de protons traversent, à l'encontre de notre intuition, cet orage sans aucun "frottement"