Des physiciens fournissent des informations théoriques sur des expériences impliquant un “métal étrange” qui pourraient être à la base des technologies quantiques de prochaine génération

Les résultats des expériences, aidés par les connaissances des physiciens théoriciens de Rutgers, pourraient jouer un rôle dans le développement de technologies et d’appareils révolutionnaires.

“Il est probable que les matériaux quantiques piloteront la prochaine génération de technologie et que des métaux étranges feront partie de cette histoire”, a déclaré Piers Coleman, professeur émérite au Rutgers Center for Materials Theory du département de physique et d’astronomie du Rutgers. School of Arts and Sciences et l’un des théoriciens impliqués dans l’étude. “Nous savons que des métaux étranges comme Y-ball présentent des propriétés qui doivent être comprises pour développer ces futures applications. Nous sommes à peu près sûrs que la compréhension de cet étrange métal nous donnera de nouvelles idées et nous aidera à concevoir et à découvrir de nouveaux matériaux.”

Reportage dans le journal Science, une équipe internationale de chercheurs de Rutgers, de l’Université de Hyogo et de l’Université de Tokyo au Japon, de l’Université de Cincinnati et de l’Université Johns Hopkins a décrit les détails du mouvement des électrons qui fournissent de nouvelles informations sur les propriétés électriques inhabituelles de Y-ball. Le matériau, techniquement connu sous le nom de composé YbAlB₄, contient les éléments ytterbium, aluminium et bore. Il a été surnommé “Y-ball” par feu Elihu Abrahams, directeur fondateur du Rutgers Center for Materials Theory.

L’expérience a révélé des fluctuations inhabituelles de la charge électrique du métal étrange. Le travail est révolutionnaire, ont déclaré les chercheurs, en raison de la nouvelle façon dont les expérimentateurs ont examiné la boule Y, en lançant des rayons gamma à l’aide d’un synchrotron, un type d’accélérateur de particules.

L’équipe Rutgers – comprenant Coleman, son collègue professeur de physique Premala Chandra et l’ancien boursier postdoctoral Yashar Komijani (maintenant professeur adjoint à l’Université de Cincinnati) – a passé des années à explorer les mystères des métaux étranges. Ils le font à travers le cadre de la mécanique quantique, les lois physiques régissant le domaine de l’ultra-petit, qui abrite les éléments constitutifs de la nature tels que les électrons.

En analysant le matériau à l’aide d’une technique connue sous le nom de spectroscopie Mossbauer, les scientifiques ont sondé Y-ball avec des rayons gamma, mesurant la vitesse à laquelle la charge électrique du métal étrange fluctue. Dans un métal conventionnel, à mesure qu’ils se déplacent, les électrons entrent et sortent des atomes, ce qui fait fluctuer leur charge électrique, mais à un rythme des milliers de fois trop rapide pour être vu par la spectroscopie Mossbauer. Dans ce cas, le changement s’est produit en une nanoseconde, un milliardième de seconde.

“Dans le monde quantique, une nanoseconde est une éternité”, a déclaré Komijani. “Pendant longtemps, nous nous sommes demandé pourquoi ces fluctuations sont en fait si lentes.” “Nous avons pensé”, a poursuivi Chandra, “que chaque fois qu’un électron saute dans un atome d’ytterbium, il y reste assez longtemps pour attirer les atomes environnants, les faisant entrer et sortir. Cette danse synchronisée des électrons et des atomes ralentit l’ensemble. processus afin qu’il puisse être vu par le Mossbauer.”

Ils sont passés à l’étape suivante. “Nous avons demandé aux expérimentateurs de rechercher ces vibrations”, a déclaré Komijani, “et à notre plus grand plaisir, ils les ont détectées.”

Coleman a expliqué que lorsqu’un courant électrique traverse des métaux conventionnels, tels que le cuivre, un mouvement atomique aléatoire disperse les électrons, provoquant une friction appelée résistance. Au fur et à mesure que la température augmente, la résistance augmente de manière complexe et, à un moment donné, elle atteint un plateau.

Dans les métaux étranges tels que Y-ball, cependant, la résistance augmente linéairement avec la température, un comportement beaucoup plus simple. De plus, contribuant encore à leur “étrangeté”, lorsque la boule Y et d’autres métaux étranges sont refroidis à basse température, ils deviennent souvent des supraconducteurs, ne présentant aucune résistance.

Les matériaux aux températures supraconductrices les plus élevées appartiennent à cette étrange famille. Ces métaux sont donc très importants car ils fournissent la toile pour de nouvelles formes de matière électronique – en particulier la supraconductivité exotique et à haute température.

Les matériaux supraconducteurs devraient être au cœur de la prochaine génération de technologies quantiques car, en éliminant toute résistance électrique, ils permettent à un courant électrique de circuler de manière mécanique quantique synchronisée. Les chercheurs voient dans leurs travaux une porte ouverte sur des possibilités futures, peut-être inimaginables.

“Au 19e siècle, lorsque les gens essayaient de comprendre l’électricité et le magnétisme, ils n’auraient pas pu imaginer le siècle suivant, qui était entièrement guidé par cette compréhension”, a déclaré Coleman. “Et donc, c’est aussi vrai aujourd’hui, que lorsque nous utilisons la vague expression” matériaux quantiques “, nous ne pouvons pas vraiment imaginer comment cela transformera la vie de nos petits-enfants.”