effet Kondo

Dans une casserole d'eau bouillante, les bulles de vapeur apparaissent puis disparaissent — une lutte similaire se joue dans les matériaux bidimensionnels. Ici, les électrons créent à la fois le magnétisme et tentent de l'éteindre.

Deux minuscules aimants sont placés dans un morceau de métal. Autour d'eux, une mer d'électrons de conduction. Habituellement, les électrons tentent de « masquer » le magnétisme des impuretés : ils s'organisent autour d'elles et l'atténuent. Ce phénomène est appelé effet Kondo.

La matière quantique nous offre rarement le spectacle de l'autopropulsion. Là où le monde classique fourmille d'étourneaux en vol, de bancs de poissons et de bactéries affairées, la thermodynamique quantique est longtemps restée immobile.

Un minuscule cristal d'atomes chargés, piégé dans une trappe, tremble de chaleur. Chaque ion oscille comme une bille au bout d'un ressort, et ces vibrations gênent l'utilisation du cristal pour des opérations quantiques précises.

Un caillou tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Dans le monde quantique, l'étang n'est pas fait d'eau, mais d'une multitude de particules identiques, et le caillou est aussi une particule, mais étrangère. Une telle particule étrangère est appelée polaron de Fermi.

L'eau ordinaire gèle comme prévu. Mais parfois, l'eau chaude se transforme en glace plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Récemment, une violation similaire des règles a été observée dans l'intrication quantique — ce lien invisible entre particules découvert par Erwin Schrödinger.

Un supraconducteur ressemble à une ronde électronique parfaite : les électrons se déplacent par paires sans perdre d'énergie, comme des danseurs qui ne perdent jamais le rythme. Mais ajoutez quelques impuretés magnétiques, et des intrus s'invitent dans la ronde, perturbant le mouvement synchronisé.

Le champ magnétique augmente, mais l'aimantation reste figée. Comme une balance sur laquelle on ajoute des poids sans que l'aiguille ne bouge, jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour sauter à la graduation suivante. C'est exactement le comportement des cristaux de tétraborures de terres rares, et les physiciens n'ont pas compris pourquoi pendant des décennies.

On a refermé un long fil en anneau et on y a fait un nœud. Le nœud glisse le long du fil jusqu'à ce qu'il bute sur quelque chose. Maintenant, le fil est composé de deux sections différentes : l'une rigide et glissante, l'autre souple et collante. Lorsqu'on chauffe, la section collante ramollit et le nœud peut en glisser, comme un traîneau dévale une pente qui dégèle.

La piste de danse est remplie de gens qui bougent chacun pour soi. Soudain, une partie d'entre eux se met en couples – ils tournoient, sans presque remarquer les voisins, tandis que les autres s'alignent en chaînes.

Un aimant minuscule, assemblé à partir de seulement deux molécules, s'est posé sur une surface métallique — et s'est comporté comme un chef d'orchestre capricieux. D'habitude, les électrons dans un métal se déplacent de manière coordonnée, comme une foule sur un escalator. Mais lors d'un refroidissement intense, cet ordre se brise et le mouvement devient imprévisible.

Une fine pellicule de savon sur la main épouse la forme de la paume, mais dès que l'on serre les doigts, la tension varie de manière inégale. C'est un peu ce qui se passe avec une monocouche de disulfure de molybdène sur un substrat de graphite.

Un cristal d'ions calcium dans un piège, éclairé par un laser, est un modèle miniature de la matière à l'intérieur d'une naine blanche. Là, dans les profondeurs d'une étoile mourante, les noyaux atomiques s'organisent en un réseau rigide lorsque la température chute.

La surface du cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à une mer figée : à certains endroits, les électrons se déplacent librement, à d'autres, ils restent piégés près des atomes. Un microscope à effet tunnel (un instrument qui sonde la surface avec une aiguille extrêmement fine et détecte des électrons individuels) a révélé que ce paysage n'est pas dû au hasard.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

Un conducteur ordinaire laisse passer le courant aussi bien dans un sens que dans l'autre, comme une porte qui s'ouvre vers l'intérieur comme vers l'extérieur. Une diode, c'est plutôt une porte avec un ferme-porte : elle s'ouvre facilement d'un côté, mais bute de l'autre.

Dans le monde macroscopique qui nous est familier, tout mouvement finit inévitablement par s'arrêter : le frottement, processus dissipatif qui disperse l'énergie, entre en jeu. Mais la réalité quantique réserve des surprises.

Dans un métal, il y a plein d'électrons libres — ils filent entre les atomes comme un essaim d'abeilles autour de la ruche. Si l'on perce un tel métal avec un mince fil magnétique, les électrons commencent à sentir son champ.

À 78 K, le cristal Mn₃Si₂Te₆ se transforme en bobine d'induction qui n'a besoin ni de fil de cuivre ni de supraconducteur. Les électrons à l'intérieur s'organisent spontanément en tourbillons fermés avec un sens de rotation défini, des courants orbitaux chiraux.

La température de la pièce baisse de quelques degrés pendant que le réfrigérateur fonctionne sans le moindre compresseur en mouvement. À l'intérieur, pas de fréon, mais un morceau de métal que l'on aimante et désaimante tour à tour.

La piste de danse où les moments magnétiques et les électrons de conduction tantôt mènent, tantôt suivent, c'est le réseau de Kondo dans le cristal V5S8.

Dans une chaîne de huit spins se cache un défaut — un minuscule moment magnétique. L'effet Kondo, connu depuis les années 1930, oblige les électrons autour de lui à former un écran collectif. La résistance du matériau augmente anormalement.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent autour. Dans le monde quantique, une impureté magnétique (cette fameuse pierre) dans un métal perturbe les électrons environnants, qui forment autour d'elle un nuage particulier. On l'appelle le nuage de Kondo. Comme des cercles dans l'eau dans l'obscurité, il est resté longtemps insaisissable.

Une goutte d'encre dans un verre d'eau se disperse rapidement, colorant tout le liquide. C'est pareil pour les électrons dans un métal : ils se déplacent librement, comme des molécules dans un gaz. Mais si une impureté magnétique — un atome avec son propre moment magnétique — se retrouve dans ce milieu, quelque chose d'étrange se produit.

Une foule sur une place. D'abord, chacun tourne à son propre rythme, mais soudain la musique change — et tout le monde commence à bouger en synchronie, comme un seul corps. C'est à peu près ainsi que se comportent les électrons dans certains métaux : tantôt ils s'accrochent aux impuretés magnétiques, tantôt ils s'en détachent et forment un ordre collectif.