Repousser la limite de la conductance d'un matériau en contrôlant les interactions entre électrons
Publié par Redbran le 18/06/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens ont observé que le courant électrique peut dépasser la limite quantique théorique de conductance, en exploitant les corrélations se développant au voisinage d'une transition de phase quantique.

Jusqu'où peut monter la conductance électrique (Soumis à une différence de potentiel, les corps laissent passer une certaine quantité de courant. La conductance est une représentation de cette capacité à laisser passer le courant. Elle est donc...) ? A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) de la résistance, cette quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) mesure la facilité avec laquelle passe le courant. En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), la conductance constitue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande rentabilisation...) de caractérisation de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premier plan. Dans les puces électroniques, augmenter la conductance de pistes permettrait de réduire le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) qui limite les performances.


Evolution en fonction de la température des conductances de 3 contacts quantiques connectés en parallèle à un petit îlot métallique. Chaque flèche colorée représente la variation de la conductance G2 d'un des contacts en fonction de la conductance des deux autres contacts (réglés tels que G1=G3) lorsque la température varie de 55 mK à 8 mK pour des configurations initiales différentes. La conductance G2 dépasse la limite quantique e2/h (e est la 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 à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour...) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et h la constante de Planck) dans la zone grisée en raison de fortes corrélations électroniques. Les lignes grises représentent les prédictions théoriques (NRG) pour une toute petite asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.). © C2N, CNRS/UPSud/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...) Diderot

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 connaissance...) standard du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions...) quantique prédit cependant une limite supérieure pour la conductance, même en l'absence de défauts. Cette limite reflète le fait que les électrons traversant un conducteur étroit doivent passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) les uns à la suite des autres, avec chacun une extension minimale imposée par la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette...). Toutefois, lorsque les interactions sont très fortes, on ne peut plus considérer les électrons séparément. On se trouve alors dans un état intermédiaire, entre les électrons libres et la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation...). Cette limite peut alors être dépassée par un effet d'entrainement qui s'apparente à un comportement visqueux du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles....) électronique. Ce phénomène vient tout juste d'être mis en évidence dans le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Manchester.

Des chercheurs l'ont désormais observé dans un circuit quantique où l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du dépassement (Un dépassement est le fait de rouler pendant un instant, en général relativement court, à côté d’un autre véhicule à une vitesse...) de la limite standard de conductance, ainsi que la gamme de température où il se produit, peuvent être contrôlés in situ. Pour ce faire, les physiciens du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/UPSud/Univ. Paris Diderot), en collaboration avec des théoriciens des universités College-Dublin, Paris-Sud et Paris Diderot, exploitent les corrélations électroniques qui se développent au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En...) d'une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ...) quantique se produisant à quelques millièmes de degrés au-dessus du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position...) absolu.

Au cœur du circuit quantique se trouve un îlot métallique réglé pour que l'augmentation de sa charge par un électron ne change pas son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). C'est fondamental, car ainsi le système ne gèlera dans aucun de ces deux états (avec une charge supplémentaire ou sans charge supplémentaire), même aux plus basses températures. Tandis que dans le cas contraire, le système se figerait dans l'état de plus basse énergie et l'on perdrait ce degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) que constitue l'ajout d'une charge. Or, c'est le couplage de cette charge avec les électrons entrant et sortant de l'îlot par trois petits contacts individuellement ajustables qui génère de fortes corrélations entre ces électrons et l'apparition d'une transition de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) quantique. L'existence même et l'amplitude du dépassement de la limite standard de la conductance est alors contrôlé par le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de symétrie entre les différents contacts.

Ce travail publié dans la revue Science ouvre un chemin de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) pour l'électronique basse puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Le dispositif implémenté n'a pas d'applications mais constitue un système d'étude modèle. Plus généralement, ce travail s'inscrit dans l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) d'une large variété de phénomènes non-conventionnels associés aux transitions de phase quantiques.

Référence:
Tunable 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...) criticality and super-ballistic transport in a “charge” Kondo circuit
Z. Iftikhar, A. Anthore, A. K. Mitchell, F. D. Parmentier, U. Gennser, A. Ouerghi, A. Cavanna, C. Mora, P. Simon, F. Pierre
Science (2018), doi:10.1126/science.aan5592
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Contact chercheur:
Frédéric Pierre, directeur de recherche 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).)

Informations complémentaires:
Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud/ Univ. Paris Diderot)
Laboratoire Pierre Aigrain (LPA, CNRS/ENS Paris/Univ. Paris Diderot/Sorbonne Université)
Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris-Sud) Université College Université College Dublin (Irlande)
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