Électrons fortement corrélés cond-mat.str-el

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.

En 1979, Su, Schrieffer et Heeger ont proposé un modèle qui expliquait les étranges propriétés électriques du polyacétylène, un polymère organique qui conduit le courant presque comme un métal.

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.

Deux acteurs sur la même scène. L'un est un fermion, capricieux et exigeant, difficile à faire jouer selon les règles d'un simulateur quantique. L'autre est un boson, docile et peu exigeant, prêt à prendre n'importe quelle place. Le metteur en scène espère que le public ne remarquera pas la substitution.

Dans une chaîne de spins froids étirée le long d'une ligne, l'ordre et le désordre peuvent s'entrelacer en un motif que les règles habituelles ne décrivent pas. Deux états de la matière, deux « ordres », sont séparés par un carrefour où les routes ne se rejoignent pas, mais divergent.

Dans la salle de concert de la théorie quantique, une discipline stricte a longtemps régné : on pensait que les opérateurs, ces interprètes de la complexité, ne pouvaient croître qu'à une certaine vitesse.

En 1867, James Clerk Maxwell imagina un démon qui trie les molécules d'un gaz, violant ainsi le deuxième principe de la thermodynamique. Le démon a besoin de connaître les vitesses des particules.

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.

Au cœur d'un supraconducteur, les électrons s'unissent en paires de Cooper et se déplacent sans résistance. Mais si un vortex apparaît dans cet ordre parfait — une minuscule région où la supraconductivité disparaît — des excitations particulières y surgissent : les quasiparticules de Bogolioubov.

Dans le monde quantique, le bruit détruit généralement le comportement ordonné, comme des secousses aléatoires qui arrêtent un pendule. Mais sur les processeurs quantiques d'IBM, les physiciens ont découvert l'inverse : un bruit structuré peut prolonger et même créer des oscillations rythmiques.

Dans les fils ordinaires, les électrons se bousculent, perdent de l'énergie, chauffent : c'est la résistance. Dans les supraconducteurs, une partie des électrons se synchronise en paires, comme des danseurs qui tournoient sans se heurter. Mais ces paires se cachent : on ne peut pas les voir directement, seulement les deviner grâce à leur coordination parfaite.

Des scientifiques ont découvert que sur un réseau triangulaire particulier — semblable à un tapis tissé serré — les particules se figent sur place. Elles n'entrent pas en collision avec leurs voisines, ne dissipent pas d'énergie.

Imaginez un sol en mosaïque dont le motif ne se répète jamais — comme la célèbre mosaïque de Penrose. Sur ce sol, les aiguilles magnétiques — les spins des électrons — exécutent une danse chaotique, engendrant un liquide de spin quantique.

Le nouveau matériau magnétique est organisé comme une pile de crêpes : dans chaque couche, toutes les « flèches » atomiques pointent dans la même direction, mais la couche voisine est aimantée dans le sens opposé. Le motif de triangles — le réseau kagomé — est déformé parce qu'une partie des atomes a été remplacée par des haltères de germanium.

La loi découverte par Wolfgang Pauli interdit à des particules identiques d'occuper la même place. De ce fait, dans la matière froide naît la mer de Fermi : les particules, comme l'eau, remplissent les niveaux d'énergie de bas en haut. La forme de la surface de la mer — y compris les « îles » de vide — dicte les propriétés de tout le système.

Dans le cristal TiSe2, les électrons se comportent comme des aiguilles de boussole qui se mettent soudainement à pointer dans la même direction. C'est ce qu'on appelle l'état nématique, par analogie avec les cristaux liquides, où les molécules s'alignent selon une direction commune, bien que le matériau reste liquide.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Des danseurs se tiennent par la main et se déplacent en parfaite synchronie. Dans un isolant excitonique, les électrons et les trous forment des paires liées qui se condensent en un état quantique unique — comme des partenaires de danse qui ne manquent jamais un pas. Mais que se passe-t-il si l'un d'eux trébuche ?

Les électrons dans un conducteur se comportent généralement comme un gaz : ils se déplacent de manière chaotique, entrent en collision, ne tiennent pas en rang.

Dans la famille des bronzes de tungstène, un matériau était considéré comme un calme. Lors du refroidissement, ses congénères réorganisent leurs électrons en un motif ondulé, mais lui, non. C'est ce que l'on pensait jusqu'à récemment. Il s'avère maintenant que la réorganisation existe aussi chez lui.

Dans le cristal La₂₋ₓSrₓCuO₄, pour une certaine composition, deux états coexistent : la supraconductivité, où les électrons se déplacent sans perte, et l'onde de charge, une accumulation périodique de la densité électronique. Ces états se disputent les mêmes nuages électroniques, qui ressemblent à des pétales en forme de croix.

L'univers pourrait être né d'un état instable — le faux vide. C'est comme un verre d'eau refroidi sous zéro : la moindre secousse le transforme en glace. De même, dans le faux vide, une minuscule bulle de vrai vide peut s'étendre jusqu'à devenir un univers entier. Son destin dépend de sa taille à la naissance et de la force avec laquelle les particules à l'intérieur sont liées entre elles.

Dans chaque poignée de terre fertile vivent des bactéries qui font ce qu'aucune usine ne sait faire : elles prennent l'azote directement de l'air et le transforment en engrais. Le secret se cache dans l'enzyme nitrogénase, et son nœud de travail – un amas d'atomes de fer et de molybdène – ressemble à un minuscule atelier d'usine.

À une température de 4,3 degrés au-dessus du zéro absolu, le cristal de tellurure de palladium cesse de résister au courant électrique. Les électrons s'y apparient et se déplacent sans perte, comme une foule qui se tient par la main. Mais ce supraconducteur semble avoir non pas un, mais deux modes d'appariement différents.

Dans un supraconducteur ordinaire, les électrons s'associent en paires immobiles — leur impulsion totale est nulle. Mais il existe une autre possibilité : les paires acquièrent une impulsion commune et se mettent en mouvement, tel un banc de poissons remontant le courant. Cet état, appelé onde de paires, est très capricieux et exige des conditions particulières.

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.

Un ordinateur quantique ressemble à une bouilloire trop chaude : les particules s'y agitent dans tous les sens, et il faut les calmer pour obtenir une réponse utile. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont imaginé comment refroidir une chaîne de 19 spins quantiques (de petits aimants) directement sur un dispositif réel.

Une boussole ordinaire se fige lorsqu'un éclair frappe à proximité. La brusque variation du champ magnétique déroute l'aiguille. Un problème similaire gênait les scientifiques pour mesurer le magnétisme des matériaux dans des champs pulsés intenses, ceux qui s'activent en un millième de seconde.

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.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Le cristal de RbMn6Bi5 ressemble à un immeuble de cinq étages d'atomes de manganèse, où les occupants de chaque étage forment un pentagone. À température ambiante, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière chaotique, comme des aiguilles de boussole pendant une tempête magnétique.

Un ordinateur quantique à ions piégés a joué le rôle d'un minuscule univers. Dans cet univers, les particules ne se contentaient pas de se déplacer : elles s'entrelaçaient en nœuds qui changent de propriétés lorsqu'on les échange. Ces nœuds sont appelés anyons de Fibonacci – ce ne sont pas des particules ordinaires, mais plutôt des vortex dans le tissu de l'espace.

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.

Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin.

Si l'on fait passer de l'eau à travers un goulot étroit, le flux s'accélère près du bord, et un tourbillon se forme derrière l'obstacle. C'est à peu près ce que font les électrons dans les matériaux bidimensionnels ultrapurs, comme une fine couche de graphène.

Dans un cristal, les atomes occupent généralement leur place attitrée, comme des passagers dans un avion avec leurs billets. Mais dans ce matériau, le cuivre et le tantale ont pris des positions au hasard — comme si les billets avaient été mélangés. Les scientifiques ont observé le cristal à l'aide de rayons X et ont constaté que le désordre n'est pas seulement sur le papier, mais dans la disposition même des atomes.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Un supraconducteur ordinaire ne fonctionne que dans le congélateur de la nature : à des températures inférieures à moins cent degrés. Le matériau de billes de carbone K₃C₆₀ ne fait pas exception : sans froid, il résiste au courant comme une foule dans un couloir étroit.

Un cuisinier goûte sa soupe pour savoir combien de sel il y a dans la casserole. Les physiciens ont fait quelque chose d'analogue avec des cristaux : ils ont envoyé des rayons X sur ceux-ci et, d'après la façon dont les rayons étaient diffusés, ils ont calculé à quel point les électrons sont « étalés » dans les liaisons chimiques.

Dans un cristal de fluorure de manganèse, les atomes sont alignés comme des soldats en rang. Mais à l'intérieur de cet alignement se cache un motif subtil : les moments magnétiques des atomes pointent dans des directions opposées, et ce motif change lorsqu'on fait pivoter le cristal.