Une équipe internationale découvre un comportement électrique inhabituel dans un matériau prometteur pour une nouvelle technologie

Le physicien théoricien Yashar Komijani, professeur adjoint à l’Université de Cincinnati, a contribué à une expérience internationale utilisant un étrange métal fabriqué à partir d’un alliage d’ytterbium, un métal de terre rare. Des physiciens d’un laboratoire de Hyogo, au Japon, ont tiré des rayons gamma radioactifs sur l’étrange métal pour observer son comportement électrique inhabituel.

Dirigée par Hisao Kobayashi avec l’Université de Hyogo et le RIKEN, l’étude a été publiée dans la revue Science. L’expérience a révélé des fluctuations inhabituelles de la charge électrique du métal étrange.

“L’idée est que dans un métal, vous avez une mer d’électrons se déplaçant en arrière-plan sur un réseau d’ions”, a déclaré Komijani. “Mais une chose merveilleuse se produit avec la mécanique quantique. Vous pouvez oublier les complications du réseau d’ions. Au lieu de cela, ils se comportent comme s’ils étaient dans le vide.”

Komijani explore depuis des années les mystères des métaux étranges en relation avec la mécanique quantique.

“Vous pouvez mettre quelque chose dans une boîte noire et je peux vous en dire beaucoup sur ce qu’il y a à l’intérieur sans même le regarder en mesurant simplement des choses comme la résistivité, la capacité thermique et la conductivité”, a-t-il déclaré.

“Mais quand il s’agit de métaux étranges, je n’ai aucune idée de pourquoi ils montrent le comportement qu’ils font. Le mystère est ce qui se passe à l’intérieur de cet étrange système. C’est la question.”

Les métaux étranges intéressent un large éventail de physiciens qui étudient tout, de la physique des particules à la mécanique quantique. L’une des raisons est leur conductivité étrangement élevée, du moins à des températures extrêmement froides, ce qui leur donne un potentiel en tant que supraconducteurs pour l’informatique quantique.

“Ce qui est vraiment excitant à propos de ces nouveaux résultats, c’est qu’ils fournissent un nouvel aperçu de la machinerie interne de l’étrange métal”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Piers Coleman, éminent professeur à l’Université Rutgers.

“Ces métaux fournissent la toile pour de nouvelles formes de matière électronique – en particulier la supraconductivité exotique et à haute température”, a-t-il déclaré.

Coleman a déclaré qu’il était trop tôt pour spéculer sur les nouvelles technologies que les métaux étranges pourraient inspirer.

“On dit qu’après que Michael Faraday ait découvert l’électromagnétisme, le chancelier britannique William Gladstone a demandé à quoi cela serait bon”, a déclaré Coleman. “Faraday a répondu que même s’il ne savait pas, il était sûr qu’un jour le gouvernement le taxerait.”

Les découvertes de Faraday ont ouvert un monde d’innovation.

“Nous ressentons un peu la même chose à propos de l’étrange métal”, a déclaré Coleman. “Les métaux jouent un rôle tellement central aujourd’hui – le cuivre, l’archétype du métal conventionnel, se trouve dans tous les appareils, toutes les lignes électriques, tout autour de nous.”

Coleman a déclaré que des métaux étranges pourraient un jour être tout aussi omniprésents dans notre technologie.

L’expérience japonaise a été révolutionnaire en partie à cause de la façon dont les chercheurs ont créé les particules gamma à l’aide d’un accélérateur de particules appelé synchrotron.

“Au Japon, ils utilisent un synchrotron comme ils en ont au CERN [the European Organization for Nuclear Research] qui accélère un proton et le fracasse contre un mur et émet un rayon gamma”, a déclaré Komijani. “Ils ont donc une source de rayons gamma à la demande sans utiliser de matière radioactive.”

Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie pour étudier les effets des rayons gamma sur l’étrange métal.

Les chercheurs ont également examiné la vitesse des fluctuations de charge électrique du métal, qui ne prennent qu’une nanoseconde – un milliardième de seconde. Cela peut sembler incroyablement rapide, a déclaré Komijani.

“Cependant, dans le monde quantique, une nanoseconde est une éternité”, a-t-il déclaré. “Pendant longtemps, nous nous sommes demandé pourquoi ces fluctuations sont en fait si lentes. Nous avons proposé une théorie avec des collaborateurs selon laquelle il pourrait y avoir des vibrations du réseau et c’était effectivement le cas.”

L’étude a été financée en partie par la National Science Foundation et le Department of Energy.