Cohérence quantique et effet Kondo

Comment se fait le transport du courant électrique dans un métal ? Nous avons montré qu’une description complète du phénomène ne peut se faire sans les outils les plus modernes de la mécanique quantique ni la puissance de calcul des ordinateurs actuels. Un métal peut être vu comme un réseau d’atomes chargés électriquement, les « ions », dans lequel se déplacent librement des électrons. Sous l’action d’un champs électrique induit, par exemple, par une différence de tension entre les deux extrémités d’un conducteur, les électrons sont accélérés : c’est le courant électrique. Mais nous avons omis une question clé : qu’est-ce qui limite ce courant d’électrons ? Pourquoi un électron, entraîné par le champ électrique, ne va-t-il pas de plus en plus vite et le courant n’augmente-t-il pas indéfiniment ? L’idée de base est que les électrons dans un métal subissent des chocs ou collisions ; en premier lieu, des collisions sur des atomes qui ne sont pas à leur place dans le réseau : c’est ce que l’on appelle le désordre cristallographique. Mais les électrons subissent aussi des chocs entre eux, qui les ralentissent également. À température ambiante, ce sont ces chocs entre électrons qui affectent le plus leur déplacement, tandis que les chocs sur les défauts cristallins deviennent prédominants à basse température. En écrivant correctement les équations gouvernant ces différents phénomènes, on décrit précisément la résistance électrique des métaux.

Mais de nouveaux faits expérimentaux sont apparus : lorsque l’on remplace une toute petite partie des ions du métal par d’autres ions magnétiques (par exemple du fer), la résistance électrique augmente à basse température... Fait inexplicable en invoquant les seuls phénomènes exposés précédemment ! C’est Jun Kondo qui trouva l’explication à ce phénomène qui porte depuis son nom : on avait oublié que les électrons ne portent pas seulement une charge électrique, mais aussi un moment magnétique. L’interaction de ce moment magnétique avec les « impuretés » magnétiques génère de nouveaux types de collisions... de plus en plus efficaces au fur et à mesure que la température baisse ! Dans notre travail, nous nous sommes intéressés à la question de savoir dans quelle mesure ces atomes magnétiques, et leur couplage avec les électrons, pouvait modifier la nature fondamentale des électrons, autrement dit leur nature quantique. Ce problème touche en fait au concept même de l’électron : ce couplage du moment magnétique des électrons avec celui des atomes est si important qu’on peut se demander s’il ne génére pas de « nouvelles » particules, aux propriétés différentes des électrons ? En fait, on sait qu’au-dessus d’une certaine température (température Kondo), l’état quantique des électrons est fortement affecté par les collisions avec les atomes magnétiques. Ce que nous avons montré, c’est que tel n’était plus le cas à très basse température. En effet, au fur et à mesure que l’on abaisse la température, les électrons du métal entourent les atomes magnétiques, formant un nuage qui parvient à masquer complètement le magnétisme de l’atome.

Par un effet collectif, les moments magnétiques d’un grand nombre d’électrons parviennent donc à parfaitement compenser les moments des atomes magnétiques : on dit que ceux-ci sont « écrantés », et tout se comporte alors... comme s’ils avaient « disparu » ! Grâce à la puissance des ordinateurs modernes, nous avons pu comparer nos mesures avec des calculs numériques exacts, et montrer que ce scénario était bien le bon, basé sur la théorie Kondo.
Ecrantage par effet Kondo
Haut : les électrons sont diffusés de façon incohérente au dessus de la température Kondo. Bas : en dessous, un nuage électronique écrante l’impureté qui devient "transparente".

La compréhension du transport électrique dans les métaux a donc franchi une nouvelle étape : les théorie les plus modernes s’avèrent indispensables à la pleine compréhension de phénomènes apparement aussi simples que le transport électronique.

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