conductivité thermique anormale dans les nanostructures

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

Dans un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

Une puce électronique de la taille d'un ongle dégage autant de chaleur qu'une petite ampoule. Évacuer cette chaleur, c'est comme vider un verre de thé brûlant avec une cuillère à café : le matériau isolant autour des transistors conduit généralement mal la chaleur.

Au centre d'une étoile mourante, lorsque son noyau s'effondre en une boule de neutrons, une tempête invisible naît. Des billions de neutrinos — des particules qui traversent la matière presque sans la remarquer — se précipitent dans le plasma incandescent.

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

Un gâteau en couches où chaque étage conduit l'électricité à sa manière : c'est ainsi qu'est structuré le cristal La3Ni2O7, un composé de nickel, de lanthane et d'oxygène. Le courant circule différemment le long des couches et à travers elles.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

Imaginez un gratte-ciel assemblé non pas à partir de briques individuelles, mais d'appartements-studio entiers. C'est exactement ainsi qu'est structuré le cristal Au₆Te₁₂Se₈ : ses nœuds ne sont pas des atomes, mais des clusters superatomiques d'or et de chalcogènes qui se comportent comme des objets quantiques uniques.

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Dans une piscine, l'eau s'étale généralement en cercles autour d'une pierre jetée. Mais si l'on dirige le flux strictement le long du rebord, elle ne court que sur le bord. On a observé quelque chose de semblable dans des morceaux de cristal supraconducteur FeTe0.55Se0.45.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Un thermomètre qui transforme un flux de chaleur en signal électrique : c'est ainsi que fonctionne l'effet Nernst anormal. Dans un matériau magnétique, la chaleur engendre une tension transversale. Jusqu'à présent, les ingénieurs ne pouvaient que légèrement ajuster ce signal en modifiant les proportions de deux métaux.

Un potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

Dans la boue trouble, entre deux électrodes, s'alignent de longues chaînes de bactéries, fines comme un câble microscopique. Chaque filament conduit le courant sur un centimètre entier, un véritable marathon pour un microbe.

Les électrons dans un conducteur ressemblent à une foule désordonnée : en se heurtant, ils perdent de l'énergie, et une résistance apparaît. Dans un supraconducteur, en revanche, ils se déplacent de manière coordonnée, comme des couples dans une danse bien réglée, sans se gêner. Cet état a une entropie réduite — c'est-à-dire un désordre moindre.

Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée.

Deux feuilles blanches sont posées au soleil – l'une rugueuse, l'autre lisse. Laquelle chauffera le moins ? La rugueuse diffuse davantage la lumière, et on pourrait penser qu'elle restera plus fraîche. Mais si le revêtement est composé de nombreuses billes de verre transparentes, la logique change.

Un stade bondé : les supporters s'agitent dans le désordre, créant bousculades et résistance. C'est ainsi que se comportent les électrons dans un conducteur ordinaire.

Une particule d'or de la taille d'une centaine d'atomes est exposée à un faisceau lumineux et s'échauffe. Dans la vie courante, cela n'a rien de grave, mais dans le monde des nanotechnologies, cette chaleur minuscule peut abîmer un biocapteur ou griller une micropuce. Impossible d'y installer un ventilateur : à ces échelles, la chaleur reste piégée, comme dans une grosse doudoune.

La lumière, découverte par Maxwell, se comporte différemment selon les milieux. Dans cette nouvelle étude, un cristal bidimensionnel absorbant la lumière et doté de propriétés magnétiques a été modélisé.

Fine comme une bulle de savon, une membrane de nitrure d'aluminium est suspendue au-dessus d'une plaque miroir, avec entre elles une couche d'air d'un micromètre d'épaisseur.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer.

Une foule dans une rue étroite avance lentement parce que les gens se heurtent les uns aux autres. Dans le silicium, la chaleur se propage par des « chocs » similaires : des vibrations des atomes appelées phonons.

Le cristal qui promettait de conduire le courant sans perte à température ambiante s'est révélé fragile comme un château de cartes : touchez-le, il s'effondre.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais pour que le tuyau devienne parfait, il faut le refroidir à une température très basse.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

Deux rangées de balançoires se balançant en sens opposés ne font pas pencher la plateforme. Cependant, leur mouvement génère des tourbillons invisibles qui poussent une balle sur le côté. C'est ainsi que se comportent les altermagnets : les flèches magnétiques des atomes sont parfaitement compensées, mais la symétrie cachée courbe le flux de chaleur.

Si l'on pousse de la chaleur à travers un morceau de quartz, elle va généralement tout droit, comme l'eau dans un tuyau. Mais dès que l'on active un champ magnétique, le flux dévie légèrement sur le côté — comme si le tuyau avait soudainement une dérivation latérale.

À la surface d'un film mince d'oxyde de bismuth-fer, on distingue de fines stries régulières, comme les sillons d'un champ labouré. Ce qui se trame en dessous était jusqu'ici un mystère.

Un tapis est bien étendu, mais si on le pousse par le bord, des plis se forment. Dans une fine couche de sulfure de tantale (1T-TaS2), les plis d'électrons — les ondes de charge — se figent, comme si le tapis était collé au sol. Pour les déplacer, il faut exercer une force. Des scientifiques ont trouvé un moyen de contrôler cette force à l'aide d'un champ électrique et d'un aimant.

Une fine feuille de graphène de quelques micromètres d'épaisseur a été placée dans un faible champ magnétique – et elle a commencé à le repousser, comme une éponge expulse l'eau quand on la presse.

Un film mince, c'est comme un drap tendu : plus il est fin, plus il est difficile à percer. Les scientifiques ont remarqué que des films de matériaux très différents — graphène, oxyde de graphène, polymères — résistent étonnamment bien à la pénétration d'un projectile à haute vitesse. Et plus le film est mince, plus il absorbe d'énergie par unité de masse.

Une fine pellicule d'oxyde de nickel, épaisse de quelques dizaines de nanomètres, est comme une feuille de papier pliée des centaines de fois. À température ambiante, elle conduit l'électricité, mais il suffit de la refroidir légèrement pour qu'elle devienne isolante.