Un métal, c'est une mer d'électrons qui se déplacent presque librement, n'entrant en collision que de temps en temps. Mais dans certains matériaux, cette mer devient soudainement visqueuse et imprévisible : les électrons cessent de se comporter comme des particules indépendantes. Les physiciens appellent cet état « non liquide de Fermi », et il reste encore une énigme.
Dans ces nouveaux travaux, les scientifiques ont trouvé un coupable inattendu : des vibrations du réseau cristallin qui agissent sur le courant électrique, et non sur la densité de charge. Ces vibrations ressemblent à des vagues dans une foule : si les gens se balancent en rythme, ils peuvent entraîner leurs voisins. Mais il existe un régime particulier où la vague s'amortit trop vite — comme si la foule éteignait son propre mouvement par friction. Ces phonons « suramortis » (quanta de vibrations) peuvent modifier radicalement le comportement des électrons.
Les auteurs ont calculé comment les électrons interagissent avec ces phonons dans des matériaux bidimensionnels, comme le graphène torsadé. Il s'avère que, selon le signe de la susceptibilité orbitale (une grandeur décrivant la réponse des électrons à un champ magnétique), le comportement change radicalement. Si la susceptibilité est positive, le comportement habituel de liquide de Fermi n'est conservé que dans une gamme d'énergies très étroite, puis cède la place à un comportement inhabituel. Si elle est négative, dès les plus basses énergies, les électrons se comportent comme un « liquide de Fermi marginal » — un état proposé pour la première fois pour les supraconducteurs à haute température.
Cette découverte est importante car elle ne nécessite pas de conditions exotiques comme la proximité d'un point critique quantique. De simples déformations du réseau, qui créent les phonons nécessaires, suffisent. Cela signifie qu'un tel comportement pourrait se rencontrer dans de nombreux matériaux, et pas seulement dans des échantillons rares.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.17937
We identify overdamped gauge phonons as a new microscopic route to non-Fermi-liquid behaviour in Dirac materials. These phonons couple to electronic currents rather than densities, thereby realising a lattice analogue of transverse gauge-field mechanisms without requiring proximity to a quantum critical point. By computing the electronic self-energy with a phonon propagator dressed by electron-phonon interactions, we show that the low-energy behaviour is controlled by the orbital susceptibility chi and a dimensionless damping parameter alpha. In the overdamped regime, alpha >> 1, quasiparticles display strong deviations from Fermi-liquid theory. For chi > 0, Fermi-liquid behaviour persists only in a parametrically narrow infrared window before crossing over to non-Fermi-liquid scaling. For chi < 0, the Fermi-liquid regime is replaced by marginal-Fermi-liquid behaviour at the lowest energies, followed by a crossover to non-Fermi-liquid scaling. These results establish strain- induced gauge phonons as a promising source of anomalous metallic behaviour in systems such as twisted bilayer graphene.
Dans le graphène torsadé, deux couches de graphène sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle « magique » d'environ 1,1 degré. Avec une telle rotation, les électrons commencent à se déplacer très lentement, et leur interaction avec le réseau s'intensifie fortement — exactement ce qu'il faut pour l'apparition de phonons inhabituels.
Dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », un univers est décrit où les lois physiques changent d'un endroit à l'autre. Les matériaux à comportement non liquide de Fermi pourraient devenir un premier pas vers de telles « îles d'une autre physique » dans notre réalité.