Les scientifiques cherchent depuis longtemps à percer les mystères des métaux étranges, des matériaux qui défient les règles conventionnelles de l’électricité et du magnétisme. Aujourd’hui, une équipe de physiciens de l’université Rice a fait une percée dans ce domaine en utilisant un outil de la science de l’information quantique. Leur étude, publiée récemment dans Nature Communications, révèle que les électrons des métaux étranges s’enchevêtrent davantage à un point de basculement crucial, ce qui jette une lumière nouvelle sur le comportement de ces matériaux énigmatiques. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à des avancées dans le domaine des supraconducteurs, susceptibles de transformer l’utilisation de l’énergie à l’avenir.
Contrairement aux métaux conventionnels tels que le cuivre ou l’or, dont les propriétés électriques sont bien comprises, les métaux étranges se comportent de manière beaucoup plus complexe, ce qui rend leur fonctionnement interne impossible à décrire dans les manuels. Dirigée par Qimiao Si, professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess, l’équipe de recherche s’est tournée vers l’information quantique de Fisher (QFI), un concept de métrologie quantique utilisé pour mesurer l’évolution des interactions entre électrons dans des conditions extrêmes, afin de trouver des réponses. Leurs recherches montrent que l’intrication des électrons, un phénomène quantique fondamental, atteint son apogée à un point critique quantique : la transition entre deux états de la matière.
« Nos résultats révèlent que les métaux étranges présentent un modèle d’intrication unique, ce qui offre une nouvelle perspective pour comprendre leur comportement exotique », a indiqué M. Si. « En tirant parti de la théorie de l’information quantique, nous découvrons des corrélations quantiques profondes qui étaient auparavant inaccessibles. »
Une nouvelle façon d’étudier les métaux étranges
Dans la plupart des métaux, les électrons se déplacent de manière ordonnée, selon des lois physiques bien établies. Les métaux étranges, cependant, enfreignent ces règles, en montrant une résistance inhabituelle à l’électricité et en se comportant de manière inhabituelle à très basse température. Pour résoudre cette énigme, les chercheurs se sont concentrés sur un modèle théorique appelé « réseau de Kondo », qui décrit la manière dont les moments magnétiques interagissent avec les électrons environnants.
À un point de transition critique, ces interactions deviennent si intenses que les éléments fondamentaux du comportement électrique, connus sous le nom de quasiparticules, disparaissent. En utilisant la QFI, les chercheurs ont trouvé l’origine de cette perte de quasiparticules dans la manière dont les spins électroniques s’enchevêtrent, et ont découvert que l’enchevêtrement atteint son apogée précisément à ce point critique quantique.
Cette nouvelle approche applique la QFI, principalement utilisée dans le domaine de l’information quantique et des mesures de précision, à l’étude des métaux. « En intégrant la science de l’information quantique à la physique de la matière condensée, nous prenons une nouvelle direction dans la recherche sur les matériaux », a ajouté M. Si.
Une voie possible vers une énergie plus efficace
Les calculs théoriques des chercheurs ont correspondu de manière inattendue à des données expérimentales réelles, notamment aux résultats de la diffusion inélastique des neutrons, une technique utilisée pour sonder les matériaux au niveau atomique. Cette correspondance renforce l’idée que l’intrication quantique joue un rôle fondamental dans le comportement des métaux étranges.
La compréhension des métaux étranges est plus qu’un simple défi académique ; elle pourrait avoir des retombées technologiques importantes. Ces matériaux sont étroitement liés aux supraconducteurs à haute température, qui ont le potentiel de transmettre l’électricité sans perte d’énergie. L’exploitation de leurs propriétés pourrait révolutionner les réseaux électriques en améliorant l’efficacité de la transmission de l’énergie.
L’étude montre également comment les outils d’information quantique peuvent être appliqués à d’autres matériaux exotiques. Les métaux étranges pourraient jouer un rôle dans les futures technologies quantiques, où l’intrication améliorée est une ressource précieuse. La recherche fournit un nouveau cadre pour caractériser ces matériaux complexes en montrant quand l’intrication atteint son maximum.
L’équipe de recherche comprenait Yuan Fang, Yiming Wang, Mounica Mahankali et Lei Chen de Rice, ainsi que Haoyu Hu du Centre international de physique de Donostia et Silke Paschen de l’Université de technologie de Vienne. Leurs travaux ont été soutenus par la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research, la Robert A. Welch Foundation et le Vannevar Bush Faculty Fellowship program.
Article : « Amplified multipartite entanglement witnessed in a quantum critical metal » – DOI : 10.1038/s41467-025-57778-7
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