Ce nouveau phénomène comprime les électrons à des vitesses que les physiciens ne pensaient même pas être possibles

Imaginez que vous ayez 50 personnes qui essaient toutes de se faufiler dans la même porte en même temps. Ce goulot d’étranglement stressant ralentit généralement tout le monde, mais que se passerait-il si – d’une manière ou d’une autre – cette foule pouvait passer plus vite qu’une personne seule ?

Cela semble fou, mais c’est ce que les physiciens ont réussi à faire à l’aide d’électrons, en démontrant que, dans certaines conditions, de grands groupes d’électrons peuvent se faufiler à travers une fente dans un morceau de métal plus rapidement que ne le prévoit la physique actuelle.

Appelé flux “superballistique”, ce comportement nouvellement découvert décrit comment des groupes d’électrons peuvent se déplacer dans des espaces étroits plus rapidement qu’un électron seul, et il pourrait conduire à des matériaux capables de transmettre l’électricité avec une résistance quasi nulle.

Ce serait énorme, car si la supraconductivité offre une résistance nulle – ce qui en fait l’un des phénomènes les plus intrigants et potentiellement lucratifs de la physique – elle ne peut être obtenue qu’à des températures super froides, inférieures à 5,8 K (-267°C ou -450°F).

Si les chercheurs parviennent à recréer ce nouveau flux superballistique d’électrons dans un matériau conducteur, ils pourraient exploiter bon nombre des avantages de la supraconductivité dans l’environnement tant convoité de la température ambiante.

Décrivant leur nouveau modèle théorique de la circulation des électrons dans de minuscules interstices métalliques, les physiciens du MIT ont découvert que de grands groupes d’électrons pouvaient en fait se “coordonner” les uns avec les autres pour dépasser ce qui était considéré comme une limite de vitesse fondamentale pour les électrons dans un espace restreint – connue sous le nom de limite balistique de Landauer.

“Nous pouvons dépasser cette limite que tout le monde considérait comme une limite fondamentale de la conductance”, a déclaré l’un des membres de l’équipe, Leonid Levitov, à David L. Chandler du MIT News.

“Nous avons montré que l’on peut faire mieux que cela”

En simulant le comportement des électrons se pressant à travers une ouverture étroite, ils ont été surpris de constater que ces particules subatomiques ressemblaient en fait à la physique connue à l’œuvre dans les particules de gaz passant à travers un endroit étroit.

Si vous observez le passage d’un gaz à travers un passage étroit au niveau moléculaire, vous constaterez que les particules individuelles se déplacent de manière aléatoire et qu’elles ont beaucoup plus de chances de heurter les parois du tunnel à plusieurs reprises que d’effectuer un trajet propre et parfaitement dégagé tout au long du parcours.

Et si vous rebondissez sur les parois en cours de route, vous perdez de l’énergie, ce qui ralentit votre progression à chaque fois.

“Mais avec un lot de molécules plus important, la plupart d’entre elles se heurteront à d’autres molécules plus souvent qu’elles ne heurteront les murs”, explique M. Chandler.

“Les collisions avec d’autres molécules sont ‘sans perte’, puisque l’énergie totale des deux particules qui entrent en collision est préservée, et aucun ralentissement global ne se produit.”

Cela signifie qu’il y a une sorte de “sécurité par le nombre” lorsqu’il s’agit de protéger les molécules de gaz individuelles contre les collisions qui gaspillent de l’énergie.

les molécules d’un gaz peuvent réaliser par la “coopération” ce qu’elles ne peuvent pas accomplir individuellement”, explique M. Levitov.

En outre, les lois de la physique prévoient que lorsque la densité des molécules de gaz dans le tunnel augmente, la pression nécessaire pour les faire passer diminue, ce qui donne aux molécules groupées une accélération que les molécules individuelles ne peuvent pas atteindre.

Lorsque Levitov et son équipe ont recréé ce scénario en utilisant des électrons et divers métaux, dont le graphène, ils ont constaté que les électrons pouvaient se déplacer de manière parfaitement coordonnée. Le graphène est le matériau miracle préféré de tous,

Cette découverte, totalement inattendue, a brisé la limite balistique bien établie de Landauer, ouvrant la voie à une nouvelle vitesse, la super-balistique.

“Nous… constatons que les électrons dans un flux visqueux peuvent réaliser par la coopération ce qu’ils ne peuvent accomplir individuellement”, indiquent les chercheurs dans leur article.

“La réduction de la résistance est due à l’effet de ruissellement, dans lequel les courants d’électrons se regroupent pour former des courants qui contournent les limites, où se produit la perte de vitesse. Ce comportement surprenant s’écarte nettement de l’opinion courante qui considère les interactions entre électrons comme un obstacle au transport.”

Alors, que faire maintenant ? Eh bien, étant donné que les chercheurs ont recréé le comportement d’un gaz d’électrons – les éléments qui alimentent nos appareils électroniques – cette découverte ouvre la voie à une électronique qui pourrait atteindre un rendement élevé avec une faible puissance.

Et contrairement à la supraconductivité, qui permet d’obtenir une résistance électrique nulle au prix de températures incroyablement basses et coûteuses à atteindre, cette technique fonctionne à température ambiante, et s’améliore en fait plus on augmente la température.

“[Le flux superballistique] est aidé par la température, plutôt qu’entravé par elle”, a déclaré Levitov à MIT News.

Les chercheurs admettent que leurs travaux sont jusqu’à présent purement théoriques, mais soulignent que divers aspects de leurs prédictions ont déjà été prouvés expérimentalement par des études antérieures.

Et le physicien de Stanford David Goldhaber-Gordon, qui n’a pas participé à la recherche, affirme qu’il serait tout à fait possible de tester ces prédictions de manière expérimentale en laboratoire en utilisant du graphène.

Nous devrons attendre pour voir si les calculs de l’équipe sont corrects, mais la supraconductivité a intérêt à être sur ses gardes – nous pourrions avoir quelque chose d’encore mieux entre les mains.

La recherche a été publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences.