Un récepteur radio pour électrons : comment capter un signal depuis le point critique quantique ✛

Régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence lorsqu'on franchit une frontière de phase : c'est ainsi qu'on peut se représenter la tâche des chercheurs. Dans le métal YbRh2Si2, les électrons se comportent comme des particules « lourdes » : leur masse effective est des centaines de fois supérieure à celle d'un électron libre. À des températures inférieures à 70 millikelvins, un ordre magnétique apparaît dans ce matériau, ordre que l'on peut détruire avec un champ magnétique de seulement 60 milliteslas, soit environ cent fois plus faible que le champ d'un aimant de réfrigérateur. Près de ce point, appelé point critique quantique, les propriétés du métal changent radicalement, mais la plupart des méthodes ne pouvaient pas sonder cette région en raison de limitations techniques.

Pour capter le signal, les scientifiques ont fabriqué des résonateurs supraconducteurs en forme de méandre, une piste sinueuse sur un substrat de saphir de quelques millimètres à peine. Ils fonctionnent à des fréquences à partir de 1,5 gigahertz, ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 20 centimètres, soit à peu près la taille d'une main. Grâce à cela, les résonateurs peuvent être refroidis à 40 millikelvins et placés dans de forts champs magnétiques. Trois résonateurs avec des fréquences fondamentales différentes, ainsi que leurs harmoniques, ont permis de couvrir une large gamme de conditions, comme si un récepteur radio pouvait s'accorder sur de nombreuses stations à la fois.

Les résultats sont saisissants. Dans la phase magnétique, lors du refroidissement, le facteur g augmente jusqu'à 3,4 et la largeur de raie de la résonance s'accroît de plus d'un facteur dix. Dans le liquide de Fermi paramagnétique, le facteur g cesse de dépendre de la température, tandis que la largeur de raie croît proportionnellement au carré de la température, avec un coefficient corrélé à la masse effective des électrons. En régime critique quantique, le facteur g varie de manière logarithmique et la largeur de raie diminue lors du refroidissement, à partir d'une température correspondant à l'énergie du champ magnétique.

L'observation la plus importante : à l'approche du point critique quantique, le facteur g diminue continûment et tend vers 2. Cette valeur est caractéristique des électrons libres, ce qui signifie que les quasi-particules « lourdes » disparaissent. La comparaison des dépendances en température et en champ du facteur g a révélé une coïncidence surprenante après un décalage de l'axe des fréquences de 1,68 gigahertz, ce qui correspond à la résonance à g = 2 et au champ critique de 60 milliteslas. Comme si le récepteur radio, réglé sur la station « fermions lourds », perdait le signal en franchissant la frontière de phase et commençait à capter la station des électrons libres.

Ce résultat confirme le concept théorique de rupture de Kondo : au point de transition quantique, les moments magnétiques locaux cessent d'être écrantés par les électrons de conduction et les quasi-particules lourdes se désintègrent. La méthode des résonateurs supraconducteurs peut être appliquée à d'autres matériaux à fermions lourds, par exemple β-YbAlB4, afin de vérifier si le facteur g converge bien vers 2 au point critique lui-même. Ainsi, régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence a permis d'entendre la matière perdre ses particules habituelles au seuil du zéro absolu.