Effet quantique surprenant observé sur un objet de «grande taille»

Dans le monde de la science des matériaux, des découvertes de premier plan peuvent être réalisées de manière inattendue. En travaillant sur la résistance d’un certain type de Delafossite - un métal en strates portant le nom de PdCoO2 - des chercheurs du Laboratoire des matériaux quantiques de l’EPFL se sont aperçus que les électrons de leur échantillon ne se comportaient pas exactement comme ils s’y attendaient. Soumis à un champ magnétique, ils gardaient certaines propriétés d’ordre quantique, notamment la signature de leur nature d’onde, observable même dans des conditions de températures et à des tailles relativement élevées. Ces résultats surprenants, obtenus avec le concours de plusieurs institutions académiques*, pourraient s’avérer utiles pour la réalisation d’ordinateurs quantiques. La recherche est publiée aujourd’hui dans le prestigieux journal Science.

Pour appréhender cette réalité, il est nécessaire de se transporter mentalement dans le monde de l’extrêmement petit, celui de l’atome. Même s’ils nous semblent instinctivement très denses, les métaux sont, à cette échelle, fait de nombreux vides. Lorsque les électrons se déplacent dans ces espaces, ils ont une double nature, se comportant à la fois comme des particules et comme des ondes. D’ordinaire, leurs mouvements dans une structure métallique peuvent être facilement observés sous leur forme de particule, les informations tenant à leur caractère d’onde étant bien trop ténues et brouillées par différentes autres interactions. Celles-ci ne peuvent être captées que dans des conditions expérimentales bien spécifiques, et notamment à de très basses températures, comme l’ont démontré les expériences menées par Richard Webb et ses collègues.

L’échantillon étudié, le PdCoO2, qui est utilisé notamment comme catalyseur en chimie, présente une structure électronique très proche de la 2D et est extrêmement pur. Les chercheurs ont été surpris de pouvoir y observer des oscillations particulièrement longues et régulières. Or, cette cohérence typique de ce qu’il se passe à l’échelle quantique était détectable dans des conditions qui, selon des principes physiques de base, ne devraient pas le permettre. Dans ce cas précis, il s’agissait de températures de plus de 60 kelvin et de tailles allant jusqu’à 12 microns.

«A l’échelle d’un atome, c’est gigantesque!»

«C’est véritablement surprenant, réagit Philip Moll, qui dirige le Laboratoire des matériaux quantiques de l’EPFL. C’est tout simplement la première fois que cet effet quantique est observé dans une pièce de métal de si grande taille. Douze micromètres semblent très petits, mais à l’échelle d’un atome, c’est gigantesque! C’est l’ordre de grandeur de la vie biologique, celle des algues ou des bactéries par exemple».

Il s’agira maintenant, dans une seconde étape, de mieux comprendre comment le phénomène est possible à de telles échelles. Mais les chercheurs voient déjà s’ouvrir tout un champ de possibilités inédites, notamment dans le domaine de l’informatique quantique. Une affaire à suivre.

*En collaboration avec:

-Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Germany
-School of Physics and Astronomy, University of St. Andrews, UK
-Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, Germany
-Weizmann Institute of Science, Department of Condensed Matter Physics, Israel
-Laboratoire des solides irradiés, Institut Polytechnique de Paris, France.

Références
"h/e Oscillations in Interlayer Transport of Delafossites", Carsten Putzke, Maja D. Bachmann, Philippa McGuinness, Elina Zhakina, Veronika Sunko, Marcin Konczykowski, Takashi Oka, Roderich Moessner, Ady Stern, Markus König, Seunghyun Khim, Andrew P. Mackenzie, Philip J.W. Moll, paru le 12 juin 2020 dans Science.