Ce « démon » traqué pendant 67 ans pourrait percer le secret des supraconducteurs

Un « démon » se cachait dans la matière

En physique de la matière condensée, des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont réussi à invoquer un « démon ». Il ne s’agit pas ici de feu et de soufre, mais d’une subtilité de la mécanique quantique. Le terme « démon » est en réalité un acronyme pour « distinct electron motion » (mouvement d’électron distinct), auquel les physiciens ont ajouté leur suffixe favori, « -on ».

Cette particule insaisissable avait été théorisée dès 1956 par le physicien David Pines. Il s’agit d’un plasmon, c’est-à-dire une onde discrète se propageant à travers les électrons d’un plasma. La particularité de ce « démon de Pines » ? Il serait à la fois dépourvu de masse et électriquement neutre. Ces deux caractéristiques le rendent, comme on peut l’imaginer, extrêmement difficile à détecter.

Une découverte faite par accident

Près de soixante-dix ans plus tard, une équipe de l’Université de l’Illinois Urbana-Champlain a publié un article dans la prestigieuse revue Nature, révélant avoir trouvé des preuves de son existence. La découverte s’est produite de manière fortuite. À l’origine, les scientifiques n’analysaient le métal ruthénate de strontium que pour une tout autre raison : comprendre pourquoi ce matériau présente des propriétés similaires à celles des supraconducteurs à haute température (fonctionnant autour de -130 degrés Celsius) sans en être un lui-même.

C’est au cours de ces analyses qu’ils ont repéré une quasi-particule au comportement étrange. Elle était trop lente pour être un plasmon de surface, mais trop rapide pour être un phonon acoustique, qui correspond aux vibrations naturelles d’un réseau cristallin atomique. Le doute s’est alors installé dans l’équipe.

De l’incrédulité à la confirmation

« Au début, nous n’avions aucune idée de ce que c’était. Les démons ne sont pas dans le courant dominant. La possibilité a été évoquée très tôt, et nous en avons pratiquement ri », a déclaré Ali Husain, co-auteur de l’étude, dans un communiqué de presse. « Mais, à mesure que nous commencions à écarter les autres possibilités, nous avons commencé à soupçonner que nous avions vraiment trouvé le démon. »

Pour en avoir le cœur net, l’équipe a mis au point une expérience d’une précision redoutable. Ils ont projeté des électrons sur un cristal de ruthénate de strontium et ont mesuré avec une incroyable finesse le gain d’énergie. Grâce à ces données énergétiques, les scientifiques ont pu suivre l’élan du « démon » à l’intérieur du matériau. Leurs résultats ont finalement révélé que la quasi-particule correspondait étroitement aux prédictions vieilles de 67 ans de David Pines concernant un mode électronique sans masse.

L’importance de « simplement mesurer les choses »

Cette découverte illustre parfaitement le rôle de la sérendipité dans la recherche fondamentale. « Cela démontre l’importance de simplement mesurer les choses », a commenté Peter Abbamonte, professeur de physique à l’Université de l’Illinois Urbana-Champlain et co-auteur de l’étude. « La plupart des grandes découvertes ne sont pas planifiées. Vous allez regarder quelque part de nouveau et vous voyez ce qu’il y a. »

Au-delà de l’élégance de la confirmation d’une vieille théorie, la mise en évidence de ce « démon » est particulièrement importante pour la compréhension des supraconducteurs. La théorie standard, connue sous le nom de théorie BCS, attribue la supraconductivité à une interaction entre les électrons et les phonons. Cependant, cette théorie ne parvient pas toujours à expliquer la résistance nulle de certains matériaux à des températures relativement élevées.

Une nouvelle piste pour la supraconductivité à température ambiante ?

L’existence de supraconducteurs à haute température suggère que d’autres mécanismes doivent être à l’œuvre. Le « démon » pourrait être l’un d’eux. Les théoriciens ont en effet supposé que ces quasi-particules pourraient jouer un rôle dans la transition d’un semi-métal vers l’état supraconducteur. Puisque cette particule est sans masse, elle peut se former avec n’importe quel niveau d’énergie et, potentiellement, à n’importe quelle température.

Les scientifiques estiment que ce « démon » existe probablement à température ambiante. Cette découverte pourrait donc ouvrir une nouvelle voie pour mieux comprendre et, peut-être un jour, concevoir des supraconducteurs fonctionnant dans des conditions beaucoup moins extrêmes. Pour la physique, le premier pas vers une avancée est parfois d’affronter ses « démons » théoriques.

Selon la source : popularmechanics.com