High School Physics : Lorsque des particules chargées entrent dans une zone où il y a un champ magnétique, une force les dévie de leur trajectoire.

C’est ainsi que se produit l’effet Hall thermique dans un conducteur électrique : lorsqu’un gradient de température est appliqué dans le matériau dans une direction, un autre gradient de température apparaît dans une direction perpendiculaire en présence d’un champ magnétique. Les électrons dans le matériau transportent des charges électriques et de l’énergie thermique, et le champ magnétique les dévie, donnant naissance au gradient perpendiculaire.

Mais les scientifiques ont également observé l’effet Hall thermique dans les isolants, en particulier oxydes de terbium, titanate de strontium Oui deuxles mecs de cuprates. Les électrons dans les isolants ne sont pas impliqués dans le transfert de chaleur ou d’électricité, alors qu’est-ce qui pourrait expliquer cela ? C’est une question ouverte importante en physique de la matière condensée.

Un candidat principal pour une réponse implique une particule appelée phonon, et un papier publié le 21 décembre avance une idée nouvelle : si les phonons ne peuvent pas être déviés par le champ magnétique, ils n’ont pas de charge électrique, ils sont affectés par les électrons qui sont déviés par le champ magnétique.

Subroto Mukerjee, professeur agrégé au Département de physique de l’Institut indien des sciences, a qualifié l’étude de « travail solide et sûr ». (Il n’a pas participé à l’étude.)

Que sont les phonons ?

Techniquement, les phonons ne sont pas des particules ; ce sont des quasi-particules, des paquets d’énergie qui se comportent comme des particules dans un système. Un phonon est une quasi-particule d’énergie vibratoire. Lorsque le réseau d’atomes qui composent le matériau vibre, il libère cette énergie et les physiciens l’encapsulent sous forme de phonons.

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En présence d’un champ magnétique, les électrons s’écartent de leur trajectoire dans une direction perpendiculaire. Les phonons ne sont pas directement affectés par le champ magnétique, mais lorsqu’ils sont diffusés par les électrons déviés, ils sont également déviés dans une direction perpendiculaire.

« L’effet Hall thermique survient lorsque les particules porteuses d’énergie ont une chiralité, en ce sens qu’elles dévient plus dans le sens des aiguilles d’une montre que dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, dans certaines circonstances », Léo Mangeolle, postdoctorant à l’ENS de Lyon, France, et co-auteur de la nouvelle étude , m’a dit l’Hindou.

Ce mécanisme de diffusion latérale est appelé diffusion oblique. « Pour voir l’effet Hall thermique, les phonons doivent être déviés perpendiculairement à leur direction de mouvement, la diffusion oblique est donc importante », a déclaré le Dr Mukerjee.

L’étude offre un moyen de généraliser leurs conclusions. « Les phonons n’ont pas à être déviés directement par des électrons individuels ; ils peuvent également être déviés par les propriétés collectives des électrons ou d’autres types d’organisation des électrons », a expliqué le Dr Mukerjee.

excitations collectives

Mangeolle et al. rassemblé ces possibilités sous la forme d’un ensemble de Quel champs. Ces champs sont des champs d’excitation collectifs : « ils décrivent toute propriété physique d’un matériau qui est définie en chaque point de l’espace » – comme la charge électrique, la polarisation, l’aimantation, etc. – et qui peut se déplacer, a expliqué le Dr Mangeolle.

Les phonons sont un exemple d’excitations collectives : « ils sont essentiellement un paquet d’ondes bien défini » d’énergie vibratoire.

Et quand on travaille avec Quel champs, dit le Dr Mangeolle, « vous pouvez [replace Q] avec votre objet préféré pour en déduire des résultats dans des matériaux d’intérêt spécifiques.

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Une explication possible de l’effet Hall thermique dans les isolateurs est un exploit remarquable. Il devra être confirmé de manière indépendante par un autre groupe de chercheurs. Cela dit, le mécanisme proposé dans l’article n’est pas le seul en son genre, et les physiciens connaissent déjà d’autres moyens, selon le Dr Mukerjee.

Il a également déclaré que le document était « probablement trop technique, trop difficile » pour que des scientifiques extérieurs à la communauté de la matière condensée « apprécient ce qui a été fait ». Il a ajouté: « Cela aurait été bien s’il y avait quelques exemples physiques supplémentaires des conséquences réelles de ses calculs. »

Implications pour les supraconducteurs

Bien que la nouvelle étude ne traite pas de la supraconductivité en soison point de mire, la façon dont les électrons interagissent avec les phonons, ne manquera pas de déclencher une certaine excitation collective dans cette communauté.

Un matériau est dit supraconducteur lorsqu’il n’offre aucune résistance au passage des courants électriques. Ils sont recherchés pour des applications dans une variété de choses, des diagnostics médicaux aux accélérateurs de particules, des microscopes sophistiqués aux réacteurs de fusion nucléaire.

Un type de supraconducteur est le supraconducteur conventionnel. Cela peut être expliqué par les concepts de la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Dans cette théorie, les phonons d’un matériau poussent les électrons à s’agglutiner et à former des paires, qui « coulent » en douceur, conduisant l’électricité sans aucune résistance à travers le matériau.

Est-ce à dire que les interactions électron-phonon pourraient nous renseigner sur l’émergence de la supraconductivité et conduire à la découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs ?

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« Notre étude montre que la résistivité thermique de Hall des phonons donne un accès assez clair à l’amplitude de ces couplages, ce qui pourrait fournir des informations quantitatives. [into the] mécanismes qui conduisent à la supraconductivité », a déclaré le Dr Mangeolle.

Mais il a souligné une mise en garde : « L’effet Hall des phonons ne peut être dominant que dans les matériaux isolants, où les électrons ne sont pas mobiles. » De ce fait, les physiciens doivent « extrapoler les connaissances sur le couplage électron-phonon obtenues dans les isolants » aux « différents matériaux de la même famille » que sont les supraconducteurs.

« Cela nécessitera un peu plus de travail. »