semi-métal

Une fine couche d'arséniure d'indium est cachée sous un film supraconducteur, comme une voix sous le bruit d'une foule. Dans un tel hybride, le courant suit le chemin de moindre résistance et circule presque entièrement dans le métal, de sorte que le semi-conducteur reste inaudible pour les instruments ordinaires.

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.

L'échafaudage magnétique du cristal EuMnSb2 évoque un chantier : les atomes de manganèse forment des poteaux verticaux rigides, et ceux d'europium des traverses mobiles. Jusqu'à présent, aucun consensus n'existait sur l'angle d'inclinaison de ces traverses au repos ni sur leur rotation lorsque le champ magnétique appuie sur l'échafaudage.

L'interrupteur clique, la lumière s'allume. Mais il existe des interrupteurs qui, pour une même pression, peuvent allumer la lampe ou laisser la pièce dans le noir. Ils se souviennent aussi de ce qu'ils ont fait la dernière fois, et parfois ils semblent lancer une pièce pour décider d'allumer ou non.

Une feuille de papier aux propriétés magnétiques — c'est à peu près ainsi que l'on peut décrire le nouveau matériau 1T-CrS₂. Ses couches sont maintenues par de faibles forces, comme les pages d'un carnet, mais chaque couche est un véritable aimant.

Dans un cristal, les électrons ne sont pas répartis au hasard. Leurs ondes obéissent à la symétrie du réseau — comme les rides sur l'eau prennent la forme de l'anneau qu'on y a jeté.

Dans un solide, les électrons sont généralement soit libres de se déplacer (métal), soit piégés sur place (isolant). Mais parfois, une forte répulsion mutuelle les enferme dans un état intermédiaire : les charges restent figées, tandis que les spins – ces petites aiguilles magnétiques – continuent de vivre leur vie.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

Les électrons dans un cristal évoquent des voitures dans les rues d'une ville : certains filent sur les boulevards, d'autres restent coincés dans les embouteillages. Dans certains réseaux, le mouvement s'arrête complètement : la vitesse cesse de dépendre de l'énergie, et les électrons deviennent « plats ». Ce n'est pas un bouchon, mais un rythme particulier du réseau, où les ondes s'annulent mutuellement.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Un cristal, c'est comme une ville : si les rues sont tortueuses, la circulation s'embourbe. Dans un cristal, les rangées d'atomes jouent le rôle des rues, et la circulation, c'est le flux d'électrons. La moindre irrégularité, impureté ou déplacement d'atome fait dévier les électrons.

Les alvéoles des abeilles sont construites à partir de cellules identiques, mais il suffit de modifier légèrement la forme de l'une d'elles pour que toute la structure acquière de nouvelles propriétés. C'est à peu près ce qu'ont fait les chercheurs en créant un aimant sans un seul atome de métal.

Un cristal ordinaire, c'est comme un immeuble : les électrons y circulent dans des couloirs et des escaliers communs, s'influençant mutuellement à travers les murs. Maintenant, enlevons tous les murs, ne laissant qu'une seule rangée d'appartements.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

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.

Lorsque vous appuyez sur l'interrupteur, la lumière ne s'allume pas immédiatement : il faut du temps aux électrons dans les fils pour « se lancer » et se mettre en mouvement de concert. Dans les métaux et semi-conducteurs ordinaires, le courant monte en puissance progressivement, comme l'eau dans un tuyau quand on ouvre le robinet.

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 fin fil du nouveau matériau conduit l'électricité sans perte lorsqu'on le refroidit à trois degrés au-dessus du zéro absolu. C'est comme de l'eau qui s'écoule dans un tuyau sans rencontrer de frottement contre les parois.

Un panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est tordue sous un petit angle, et elle commence à se comporter comme un gâteau en couches où les couches sont légèrement tournées les unes par rapport aux autres. À un certain angle de rotation, ce matériau devient supraconducteur : les électrons commencent à se déplacer par paires, comme des danseurs de valse, sans perdre d'énergie.

Dans le motif d'un panier tressé, où les brins s'entrelacent en triangles, certains électrons restent coincés sur place, comme des pièces dans les interstices du tressage. D'autres électrons se déplacent librement à travers tout le panier, comme la lumière dans une pièce.

Un morceau de tellurure d'argent-antimoine spectroscopie]ressemble à une éponge : il absorbe facilement la chaleur et la transforme en électricité. Ces matériaux sont appelés thermodlectriques, et ils fonctionnent déjà dans les sondes spatiales et les réfrigérateurs de voiture.

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.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit jouer sa note sans fausser. Mais les qubits supraconducteurs ont un problème commun : des charges aléatoires s'accumulent sur leurs électrodes, et la « note » dérive.

Le cristal d'oxyde d'osmium OsO₂ ressemble à un adolescent têtu : dans des conditions normales, il se comporte comme un métal ordinaire, mais il suffit d'appuyer plus fort pour que le caractère change.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit entrer en mesure. Le moindre froissement dans la salle déconcentre le violoniste, et la mélodie s'effondre.

Le bismuth bidimensionnel sur substrat de silicium est un matériau prometteur pour l'électronique du futur. Ses bords conduisent le courant sans pertes, comme une autoroute sans feux rouges. Mais le bismuth est fragile : l'air et l'humidité dégradent rapidement ses propriétés.

Un bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.

Un électron dans un métal ressemble généralement à une personne à l'heure de pointe : il heurte constamment les autres et perd sa direction. Mais si l'on supprime les obstacles, il peut voler en ligne droite, comme une voiture sur une autoroute déserte la nuit. Ce mouvement est appelé balistique, du mot « baliste », une ancienne machine de jet qui envoyait une pierre sans entrave.

Le couvercle d'un pot de confiture qui claque – voilà le héros de cette histoire. On appuie dessus, et il bascule avec un bruit sec de la position bombée à la position creuse. C'est exactement ce que fait une poutre articulée à l'intérieur de chaque cellule du nouveau treillis mécanique.

Un tampon en caoutchouc ordinaire amortit les vibrations comme une épaisse couverture étouffe le son : plus c'est épais et lourd, mieux c'est. Les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'un matériau léger qui « dévorerait » les oscillations aussi bien qu'un amortisseur massif.

Une autoroute où les voitures foncent sans presque ralentir : c'est ainsi qu'on peut imaginer la couche de semi-conducteur ultrapur où les électrons parcourent d'énormes distances sans une seule collision. Des chercheurs ont construit un transistor dans lequel les électrons filent deux fois plus vite que dans tout dispositif similaire jusqu'à présent.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

Dans le matériau NaAlSi, les électrons, lorsqu'ils sont refroidis, forment une ondulation éphémère — des stries qui apparaissent et disparaissent, comme les motifs que le vent dessine sur l'eau. Ces stries s'entrelacent avec la supraconductivité, cet état où le courant circule sans résistance.

Le diamant n'est pas qu'un simple bijou. Ce cristal peut conduire l'électricité lorsque des porteurs de charge libres y apparaissent : des électrons et des trous. Mais à quelle vitesse se déplacent-ils ? Dans les articles scientifiques, les chiffres varient d'un facteur dix. Un laboratoire rapporte une vitesse de 1000 cm²/(V·s), un autre de 4000.

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.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

Deux morceaux de graphite frottent l'un contre l'autre, et la résistance disparaît comme si une pellicule d'huile invisible les séparait. Auparavant, on n'observait cela qu'au microscope, sur de minuscules points de contact.