Un phénomène quantique observé en 3D
Publié par Michel le 08/12/2008 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © CNRS & © John H. Page, Department of Physics and Astronomy, Univ. of Manitoba, Winnipeg, Canada
Une collaboration franco-canadienne vient de démontrer l'existence de la "localisation d'Anderson" à trois dimensions, un phénomène quantique décrit pour la première fois il y a exactement cinquante ans.

Pourquoi, à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...), certains métaux arrêtent-ils de conduire l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) ? L'explication théorique a été fournie en 1958 par l'Américain Philip W. Anderson, lauréat du prix Nobel en 1977: un phénomène quantique dit de "localisation" bloque littéralement les électrons dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...). Aujourd'hui, cinquante ans après qu'elle a été formulée, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) de la localisation d'Anderson vient enfin d'être vérifiée de façon convaincante en trois dimensions (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 une pièce de...). Une véritable première réalisée par Bart Van Tiggelen et Sergey Skipetrov, du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) et modélisation des milieux condensés (LPM2C), à Grenoble, en collaboration avec l'équipe du professeur John Page, de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Manitoba (Canada), et soutenue par un programme international de coopération scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) (Pics) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).). Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Nature Physics.


Dans leur expérience, les chercheurs ont envoyé des ultrasons
dans un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) de billes d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la...) de 4,11 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...).
Insert: distribution spatiale du son transmis à travers l'échantillon.
Les pics sont caractéristiques de la localisation d'Anderson

Habituellement, les scientifiques se représentent un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le...) conducteur comme un matériau où les électrons se déplacent librement à travers le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...). Ils expliquent alors la résistance électrique par la présence d'impuretés qui introduisent du désordre: les électrons sont déviés de leur course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) et traversent moins bien le métal. Connu sous le nom de Drude-Sommerfeld, ce modèle est généralement considéré comme décrivant correctement la réalité. À une nuance près cependant: la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème...) impose qu'un métal ne peut devenir totalement 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 phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un...). En effet, il y aurait tellement d'impuretés qu'un tel matériau n'aurait plus rien d'un métal ! Comment expliquer alors l'existence de conducteurs – des alliages complexes – capables de devenir brusquement isolants lorsqu'ils sont fortement refroidis, en dessous de quelques kelvins ? En 1958, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les...) américain Philip W. Anderson est le premier à proposer une réponse. Selon lui, à très basses températures, les électrons se comportent plus comme des ondes que comme des particules. Dans un matériau désordonné, comme un métal contenant des impuretés, ces ondes interfèrent entre elles de manière destructive. En somme, elles s'annulent les unes les autres, ce qui se traduit par le blocage – la localisation – des électrons dans le matériau, empêchant ainsi le courant de circuler.

Mais au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), l'idée géniale d'Anderson est devenue un véritable casse-tête pour les physiciens. Il leur faut développer une théorie moderne qui couvre l'essentiel des propositions d'Anderson tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en incluant les possibilités expérimentales. Et de ce côté-là, ce n'est pas non plus une sinécure. Concevoir une expérience qui puisse mettre en évidence le phénomène, souvent caché derrière d'autres effets, s'avère très difficile. Cependant, ils découvrent dans les années 1980 que la localisation d'Anderson pourrait ne pas se limiter aux électrons mais s'appliquer aussi aux ondes "classiques", comme la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) ou les ondes acoustiques, un peu plus faciles à manipuler. Même si, comme le rappelle Bart Van Tiggelen, directeur du LPMMC, "elle n'est pas pour autant aisée à mettre en évidence dans ces derniers domaines. Pour observer le phénomène de localisation d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) lumineuse par exemple, il faudrait produire un milieu extrêmement désordonné ; une sorte de brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques...) de l'ordre d'un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et...) de fois plus épais que celui que l'on trouve en montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la...) sur une piste de ski. Le produire est en soi un challenge technique !"

C'est pourquoi les chercheurs du LPMMC et de l'université de Manitoba ont préféré employer des ondes acoustiques à température ambiante. Il leur aura tout de même fallu trois ans pour préparer l'expérience. Elle a consisté à envoyer des ultrasons dans un milieu désordonné formé de petites billes d'aluminium. En analysant les ondes transmises à la sortie du dispositif, ils ont pu observer, sans qu'aucun doute ne soit permis, plusieurs manifestations de la localisation d'Anderson. Point (Graphie) fort de cette réussite, qui vient s'ajouter à la récente démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur...) réalisée à l'aide d'atomes froids par le groupe d'Alain Aspect (Alain Aspect est un physicien français né en 1947. Il est reconnu, entre autre, pour avoir conduit le premier test concluant portant sur un des paradoxes fondamentaux de la mécanique quantique, le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen.), du Laboratoire Charles Fabry (Charles Fabry (1867-1945) est un physicien français.) de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) d'Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), à Orsay: leur test a été mené en trois dimensions. Et maintenant ? "Notre travail n'est pas pour autant terminé, indique Bart Van Tiggelen. Nous allons adapter notre expérience pour mesurer certains paramètres importants de la localisation d'Anderson qui échappent encore aux prédictions théoriques." Au bout de cinquante ans d'âpres travaux, les scientifiques n'en ont semble-t-il pas encore fini avec la localisation d'Anderson.


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