Une équipe de l’Institut quantique met en évidence ce qui semble bien être une nouvelle limite quantique qui s’impose aux électrons

Publiée aujourd’hui dans la revue Nature, l’étude codirigée par le professeur Louis Taillefer révèle que, dans certains métaux, le temps qui s’écoule entre deux collisions successives d’électrons est donné par la constante de Planck – l’unité fondamentale du monde quantique.

En principe, la résistance d’un métal au passage d’un courant électrique est un phénomène physique bien compris. À basse température, celle-ci est en partie causée par les collisions des électrons entre eux, ce qui cause la perte d’une partie de l’énergie qu’ils transportent. C’est un peu comme deux auto-tamponneuses en perte de vitesse lorsqu’elles se rentrent dedans. La théorie standard prévoit que la résistance électrique décroit en refroidissant comme le carré de la température quand celle-ci tend vers le zéro absolu.

Or il s’avère que dans certains métaux dits « étranges » la résistance varie linéairement en température, ce qui est tout à fait inattendu.

« C’est très émouvant, ce mystère », affirme Louis Taillefer. « Cette droite est d’une superbe simplicité – sauf qu’elle ne devrait pas exister ! Observée de mes yeux la première fois ici à Sherbrooke, d’abord dans un oxyde de cuivre puis dans un conducteur organique, la résistance linéaire n’a cessé de me fasciner. Parce que la linéarité est parfaite, jusqu’à T = 0, on sent qu’on touche à quelque chose de profond. »

En 2019, l’équipe Taillefer découvre à l’aide d’un modèle simple que le temps qui sépare une collision de la prochaine pour un électron est le même pour tous les oxydes de cuivre (les « cuprates ») montrant cette résistance linéaire. Ce temps universel est déterminé par la constante de Planck divisée par l’énergie thermique.

« Cet aspect universel, lié à la constante de Planck, montre qu’on touche à quelque chose de fondamental », renchérit le chercheur.

Encore fallait-il démontrer par une mesure directe que ce temps est bel et bien « planckien ». C’est ce que l’équipe Taillefer vient de faire, en collaboration avec l’équipe du P^r Brad Ramshaw à l’Université Cornell, tel que décrit dans leur article Linear-in temperature resistivity from an isotropic Planckian scattering rate publié cette semaine. Pour ce faire, ils ont placé un échantillon de cuprate dans un champ magnétique intense pour dévier la trajectoire des électrons dans ce métal étrange, et mesurer la variation de la résistance, directement reliée au temps de collision des électrons.

C’est Gaël Grissonnanche qui a mené à bien ce projet, d’abord comme postdoc à Sherbrooke ensuite comme postdoc à Cornell. Les mesures ont été effectuées dans le plus fort champ magnétique statique au monde, au National High Magnetic Field Lab à Tallahassee, USA.

« Ce fut un réel tour de force. Avant Gaël, nous n’avions jamais fait ce genre de mesure », explique P^r Taillefer. « Il a effectué non seulement les mesures expérimentales d’une grande précision, avec les étudiantes au doctorat Yawen Fang (Cornell) et Anaëlle Legros (Sherbrooke), mais également l’analyse élaborée des données, avec son collègue postdoc Simon Verret (Sherbrooke), qui leur a permis d’extraire le temps de collision. »

« Il s’agit d’une technique expérimentale que je développe depuis de nombreuses années », a déclaré Brad Ramshaw, professeur adjoint à l’université Cornell qui a codirigé l’étude, « mais c’est Gaël qui l’a vraiment portée au niveau supérieur. Le niveau d’analyse de cette expérience est d’une énorme complexité, mais de l’autre côté émerge un résultat si simple et intuitif. C’est vraiment la physique dans ce qu’elle a de meilleur – une belle simplicité à partir d’une grande complexité.»

Et le temps ainsi extrait a non seulement la valeur planckienne mais cela vaut pour toutes les directions de mouvement des électrons – on dit qu’il est isotrope.

« Le temps « planckien » est très court ou « rapide », c’est le plus rapide permis par la mécanique quantique. Ce que nous montrons aujourd’hui c’est que dans un métal étrange, quelle que soit la direction choisie par les électrons pour se déplacer, ils subissent et subiront des collisions au rythme le plus intense possible, ils n’ont aucun moyen d’y échapper. Ce fut aussi éblouissant qu’inattendu, car les autres propriétés de ces matériaux n’ont rien d’isotrope. Cela nous est apparu comme une pièce manquante au cœur de cette physique. », explique Gaël Grissonnanche. « Ce n’est qu’à travers cette isotropie que l’on peut expliquer le côté universel du phénomène dans les différentes familles de métaux étranges. En plus, aspect fascinant, nous discutons de l’infiniment petit dans l’étude, mais ce même temps planckien semble aussi s’imposer aux trous noirs – des objets énormes ! »

Ces travaux de recherche ont été effectués dans le cadre d’une collaboration étroite entre Sherbrooke et Cornell, favorisée entre autres par CIFAR et son programme sur les matériaux quantiques, dont Taillefer et Ramshaw font tous deux partie.

« Le plus beau c’est que ce succès est le fruit d’une formidable entreprise de collaboration déroulée sur plusieurs années avec une mécanique impeccable. Cela commence avec le rapprochement des expertises du groupe québécois et du groupe américain au sein de CIFAR, et cela s’est fait avec des étudiants et postdocs passionnés qui ont su jouer leur partition à merveille au sein de cet immense projet. », raconte Gaël Grissonnanche. « Personnellement, je retiens l’incroyable chance d’avoir partagé une année entière avec mon collègue et ami théoricien Simon Verret, postdoc dans le groupe du P^r André-Marie Tremblay à Sherbrooke, une année durant laquelle nous avons construit toute la machinerie algorithmique nécessaire à extraire le jus de nos expériences. Un tel rapprochement entre théoricien et expérimentateur est rare mais tellement fructueux. »,

Selon M. Ramshaw, l’utilisation de cette « machinerie algorithmique » ne fait que commencer. « L’une des plus grandes surprises pour ceux d’entre nous qui travaillent dans ce domaine est que cette approche de l’analyse des données fonctionne. Cela ouvre de nouvelles voies pour résoudre des problèmes auparavant insolubles – ce sur quoi Gaël travaille déjà pour la prochaine génération d’expériences.»

Cette recherche a été soutenue en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, CIFAR, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore, la National Science Foundation et le Conseil Européen de la Recherche.