Une équipe internationale de scientifiques a observé des phénomènes inattendus à la surface d’un nouveau matériau supraconducteur.
L’équipe comprend des experts de l’Université autonome de Madrid (UAM) en Espagne et d’institutions de Colombie, d’Espagne, de France, du Japon et de Suède.
En physique, certaines des images les plus spectaculaires du phénomène d’interférence quantique ont été obtenues en étudiant des électrons libres à la surface de métaux simples et bien connus, comme le cuivre ou l’or.
Or, les nouvelles observations démontrent pour la première fois le phénomène de quantification électronique dans les fermions lourds et, de plus, révèlent un type d’ordre électronique dont l’origine est totalement inconnue.
Dans les laboratoires, depuis plus de trois décennies, il est possible d’obtenir des surfaces atomiquement planes sur des métaux simples. Dans les marches qui peuvent se former entre ces surfaces, des électrons peuvent être piégés et sont très sensibles à tout changement ; par exemple, un pas de taille atomique constitue une barrière importante pour sa propagation.
«Sur un échelon entre deux échelons, les électrons peuvent difficilement s’échapper et montrer leur nature ondulatoire dans toute sa splendeur. Cela donne lieu à des états quantifiés, qui se caractérisent par la formation d’ondes dont la distance entre les maximums varie avec l’énergie en multiples entiers d’une certaine valeur », explique Hermann Suderow, du Département de physique de la matière condensée à l’UAM.
« À ce jour, ces états n’ont été étudiés que dans des systèmes où les électrons se comportent presque comme s’ils étaient des particules indépendantes. Dans les matériaux quantiques, les électrons ne sont pas indépendants et, du fait de l’intrication due aux interactions, ils portent avec eux une lourde armure”, explique Isabel Guillamón, chercheuse du même département et co-auteur de l’étude.
Alfredo Levy Yeyati, membre du Département de physique théorique de la matière condensée et co-auteur, ajoute : « Nos résultats montrent clairement des états quantifiés hautement corrélés des électrons et nous démontrons en détail l’interaction entre ces états et la supraconductivité. Les calculs théoriques qui soutiennent les observations suggèrent que de tels états pourraient également être observés dans de nombreux autres matériaux quantiques. De plus, ils fournissent de nouvelles preuves expérimentales qui serviraient à comprendre l’origine du mystérieux ordre caché, montrant l’absence d’une certaine symétrie près de la surface ».
Pas de taille atomique sur une surface. Image prise à seulement 0,1 degré au-dessus du zéro absolu (la température la plus basse autorisée par les lois de la physique) avec un microscope entièrement construit à l’UAM. La couleur indique la hauteur. La différence de hauteur entre deux marches n’est que de quelques atomes. Dans la partie supérieure gauche, vous pouvez voir le réseau atomique. Les flèches indiquent les directions cristallographiques. Résultats obtenus dans le Laboratoire des Basses Températures et des Champs Magnétiques Élevés du Département de Physique de la Matière Condensée de la Faculté des Sciences. (Photo : Edwin Herrera / UAM)
Le mystérieux ordre caché
Scientifiquement parlant d’ordre caché pour désigner un mystérieux phénomène d’ordre, différent de tout autre type d’ordre électronique connu dans les solides (par exemple le magnétisme).
Dans le cadre des résultats, les états quantifiés observés à la surface du supraconducteur URu2Si2 montrent que les électrons ont une masse 17 fois supérieure à celle trouvée dans les métaux simples. Cette masse supplémentaire, selon les auteurs, explique le fait que dans leurs expériences la température a dû être extrêmement abaissée afin de pouvoir observer les nouveaux états quantiques.
« Les propriétés des nouveaux états quantiques nous ont aidés à caractériser ce matériau mystérieux. Entre autres, nous avons observé des phénomènes inattendus dans les coins des marches qui pourraient être liés à l’ordre caché », détaille Edwin Herrera, collaborateur de l’Université centrale et de l’Université nationale de Colombie, et chercheur postdoctoral à l’UAM et premier signataire de l’étude.
“Ce sont des phénomènes collectifs dans lesquels un grand nombre de particules se regroupent pour afficher des comportements contre-intuitifs qui défient l’imagination, tels que le mouvement sans dissipation, la quantification de la circulation ou la protection topologique.”
« Ces comportements — conclut le chercheur — permettent de rêver de construire des dispositifs insensibles au désordre, qui transportent l’énergie sans pertes, ou qui servent à concevoir des ordinateurs radicalement différents comme les ordinateurs quantiques.
L’étude s’intitule « États de puits quantiques à la surface d’un supraconducteur à fermions lourds ». Et il a été publié dans la revue académique Nature. (Source : UAM)
