Quasi-particules : des physiciens trouvent un "démon" dans un cristal supraconducteur
Il y a plus de 60 ans, on prédisait déjà que des quasi-particules électriquement neutres et sans masse pouvaient se former dans certains matériaux. Ce phénomène pourrait aider à expliquer la supraconductivité à haute température.
Comme l'expliquent les scientifiques dans la revue "Nature", ils ont utilisé une technique expérimentale rarement utilisée appelée "electron energy loss spectroscopy" (spectroscopie de perte d'énergie des électrons), qui excite directement les modes électroniques d'un matériau, a permis aux chercheurs d'identifier la signature de la mystérieuse particule dans le ruthénate de strontium (Sr2RuO4). Cette particule est une sorte de plasmon. C'est ainsi que les physiciens désignent les oscillations collectives dans un ensemble de particules chargées, appelé plasma, qui se comportent comme une seule particule. En mécanique quantique, ils sont traités comme des quasi-particules bosoniques. Ils jouent un rôle clé dans la façon dont les métaux réfléchissent et absorbent la lumière.
Selon la prédiction de David Pines, ce type particulier de plasmon se forme lorsque deux plasmas d'énergie différente n'oscillent pas de manière synchrone. Il a appelé cette particule "demon" (démon en français) - composé des premières lettres de "distinct electron motion" (en français : mouvement électronique distinct) et de l'appendice "-on", qui marque qu'il s'agit d'une particule. Un tel démon de Pines pourrait aider à expliquer un certain nombre de phénomènes mal compris comme la supraconductivité à haute température et l'interaction des nanoparticules métalliques avec la lumière.
Pas aussi rare qu'on pourrait le penser
Pour trouver le démon, Abbamonte et son équipe ont fait rebondir des électrons sur un cristal de ruthénate de strontium et ont mesuré avec une très grande précision l'énergie qu'ils gagnaient ou perdaient. Grâce à cette faible variation d'énergie, ils ont ensuite pu calculer l'impulsion du démon dans le cristal et ont constaté qu'elle correspondait assez précisément aux prédictions de David Pines.
Des démons de ce type devraient également exister dans d'innombrables autres matériaux métalliques, a déclaré Peter Abbamonte, selon le magazine scientifique "New Scientist". La seule condition, selon lui, est qu'un métal possède deux populations d'électrons d'énergies différentes, qui vibrent à des fréquences différentes - une propriété présente dans de nombreux matériaux, y compris les hydrures de lanthane, une classe de supraconducteurs à haute température. "De tels démons ne sont pas rares", a déclaré Abbamonte, qui a été cité. "Je pense qu'ils sont présents dans de nombreux matériaux, nous ne les avons juste pas encore vus parce que nous n'avons pas effectué le bon type de mesure"
Le démon de Pines pourrait également être une explication possible de l'origine de la supraconductivité elle-même. L'idée traditionnelle, appelée théorie BCS, veut que les électrons puissent s'associer en paires dites de Cooper et se déplacer sans résistance à travers un matériau. On suppose que ces électrons appariés interagissent entre eux par l'intermédiaire de quasi-particules du son, appelées phonons. Cependant, jusqu'à présent, la théorie ne semble expliquer sans aucun doute que la supraconductivité à basse température. Dans le cas de la supraconductivité à haute température, le mécanisme de formation des paires reste inexpliqué ; l'interaction directe électron-phonon n'est pas envisageable. Il existe donc une théorie selon laquelle les électrons pourraient interagir via les démons de Pines. Le fait que le ruthénate de strontium se comporte comme un supraconducteur peut être une indication que cela est vrai, a déclaré Abbamonte.
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Photo de couverture : Shutterstock / jijomathaidesigners
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