Des électrons ont été surpris en train de circuler dans le graphène comme dans un liquide, atteignant des limites que les physiciens pensaient fondamentalement impossibles.
Ce type de conductivité est connu sous le nom de flux “superballistique”, et cette nouvelle expérience suggère qu’il pourrait révolutionner la façon dont nous conduisons l’électricité.
Comme si cela n’était pas assez fou, les flux super rapides se produisent en fait à cause des électrons qui rebondissent les uns sur les autres, ce qui, selon la physique du lycée, devrait ralentir la conductivité.
Que se passe-t-il donc ici ? Pendant des décennies, les scientifiques ont supposé que, dans certaines circonstances, les électrons pouvaient cesser de se comporter comme des individus et entrer en collision si souvent qu’ils commençaient à s’écouler comme un fluide visqueux doté de toutes sortes de propriétés uniques.
Mais ce n’est que l’année dernière que les chercheurs ont confirmé le phénomène, montrant pour la première fois que, même à température ambiante, les électrons du graphène pouvaient se comporter comme un fluide 100 fois plus visqueux que le miel – ce que les chercheurs ont appelé “bizarrerie quantique découlant du mouvement collectif [des électrons] “.
Aujourd’hui, la même équipe, dirigée par Sir Andre Geim – le physicien de l’université de Manchester qui a remporté le prix Nobel 2010 pour ses travaux sur la caractérisation du graphène – a montré que ce phénomène d’électron liquide est encore plus fou que nous le pensions.
En découvrant ce comportement fluide, les chercheurs ont pu observer des électrons dans le graphène brisant une limite fondamentale pour les électrons dans un métal normal, connue sous le nom de limite balistique de Landauer.
Il s’agit de l’une des premières confirmations expérimentales démontrant la puissance d’un tout nouveau type de physique et, surtout, elle suggère que nous pourrions être à l’aube d’une toute nouvelle façon de transporter l’électricité à travers des matériaux dont la résistance est proche de zéro.
À l’heure actuelle, c’est une chose que les supraconducteurs peuvent réaliser, mais cette capacité ne se manifeste qu’à des températures très basses , inférieures à 5,8 K (-267°C ou -450°F).
Mais dans la dernière étude, les chercheurs ont pu observer ce flux dit ” superballistique” dans le graphène à la température relativement chaude de 150 K (-123°C ou -190°F).
En fait, la résistance diminue à mesure que la température augmente, ce qui est le contraire de ce que l’on pourrait attendre.
Pour l’instant, il ne s’agit que d’une étude et des équipes indépendantes devront vérifier les résultats de l’Université de Manchester. Mais trouver un moyen de conduire plus efficacement l’électricité à haute température est l’un des “Graals” de la physique, car cela ouvrirait la voie à des choses comme des ordinateurs super efficaces ou des réseaux électriques qui ne perdent pas 7 % de leur énergie en chaleur.
C’est assez excitant, mais pour la communauté des physiciens, la véritable avancée réside dans le fait qu’il s’agit de l’une des premières explorations détaillées de ce nouveau comportement liquide des électrons – et cela suggère que nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui est vraiment étrange.
Ce qui est si étrange, c’est que ce type de flux d’électrons va à l’encontre de tout ce que nous savons sur la conductance – à savoir que plus les électrons se dispersent, moins un matériau est conducteur.
C’est pourquoi le graphène est déjà plusieurs fois plus conducteur que le cuivre, par exemple. Sa structure 2D soignée présente beaucoup moins d’imperfections que les métaux ordinaires, de sorte que les électrons qui le traversent se dispersent moins et se déplacent plus rapidement, ce que l’on appelle le flux balistique.
Mais le contraire se produit lorsque les électrons commencent à travailler ensemble et se comportent comme un fluide – ce que cette dernière étude nous montre comme étant capable de débloquer le flux superballistique.
“Nous savons depuis l’école qu’un désordre supplémentaire crée toujours une résistance électrique supplémentaire”, a déclaré Geim.
“Dans notre cas, le désordre induit par la diffusion des électrons réduit en fait la résistance au lieu de l’augmenter”
“C’est unique et assez contre-intuitif : Les électrons qui composent un liquide commencent à se propager plus rapidement que s’ils étaient libres, comme dans le vide”.
Comment cela fonctionne-t-il ? Au lieu d’augmenter la résistance, parfois, lorsque les électrons entrent en collision les uns avec les autres, ils peuvent en fait commencer à travailler ensemble et faciliter la circulation du courant.
Si vous considérez les cristaux du graphène comme un canal dans lequel les électrons doivent circuler, les électrons ralentissent le plus lorsqu’ils rebondissent sur les bords du canal, perdant ainsi leur élan.
Dans ce comportement fluide, cependant, certains électrons restent près du bord, empêchant efficacement les autres électrons d’entrer en collision avec ces régions et de ralentir.
Par conséquent, certains électrons deviennent superballistiques lorsqu’ils sont guidés à travers les canaux du graphène, en rebondissant sur leurs amis. C’est la même chose qui se produit dans une rivière : le courant est plus rapide au milieu.
Sir Geim et son équipe ont appelé cette nouvelle quantité physique “conductance visqueuse”. Et comme il s’agit de l’une des premières études sur ses capacités et qu’elle franchit déjà des limites physiques importantes, nous sommes certains que vous allez en entendre parler encore longtemps.
Surveillez cet espace.
La recherche a été publiée dans Nature Physics.