1. Comment fabriquer de nouveaux outils électroniques à l’aide des matériaux de Weyl ?

Les physiciens ont découvert en 2015 un nouvel état topologique de la matière appelé : les semi-métaux de Weyl.

 

Les états électroniques excités de ces matériaux ne coïncident pas avec ceux d’électrons libres tels qu’on les rencontre dans les métaux classiques. Etonnamment, ils se comportent comme des photons relativistes sans masse. Ce comportement apparemment atypique représente un intérêt indéniable pour la recherche fondamentale. Au-delà de ce constat, il laisse surtout entrevoir la possibilité de construire des appareils électroniques et optiques offrant de nouvelles fonctionnalités.

 

Par exemple, des équipes basées au Royaume-Uni avancent l’idée qu’un appareillage constitué de multiples couches d’un tel matériau pourrait avoir un indice de réfraction négatif. Cette propriété permettrait de faire converger un faisceau d’électrons sur une région extrêmement petite et de créer une hyper-lentille améliorant considérablement la résolution des microscopes électroniques à effet tunnel.

 

C’est en effet ce que prédit la théorie à partir de travaux précédemment réalisés sur les monocouches d’atomes de carbone (graphène). Ceux-ci indiquent l’existence d’une propriété spécifique à ces matériaux, à savoir : la vitesse de groupe des particules relativistes et sans masse est dirigée selon une direction qui est soit parallèle, soit antiparallèle à leur quantité de mouvement – en lien direct avec le signe de leur charge.

 

La vérification expérimentale de ces prédictions théoriques a été réalisée en 2015 dans un matériau bidimensionnel ; la première lentille de Veselago est alors devenue une réalité.

 

Les équipes travaillent donc désormais à démontrer que les résultats théoriques acquis pour les matériaux bidimensionnels s’étendent à des objets des espaces tridimensionnels. Simultanément, elles déploient d’énormes efforts qui doivent aboutir à pouvoir fabriquer ces nouveaux objets. Pour l’heure, leur fabrication a commencé de manière artisanale et l’industrialisation de leur production reste une sorte de graal moderne.  

 

Source d’inspiration pour ce paragraphe : Physical Revue B ; résumé et présentation dans : Physics, 10, 63 – June 5, 2017.

 

 

2. Une proposition pour expliquer les dynamos astronomiques

Beaucoup de planètes et d’étoiles exhibent des champs magnétiques. L’existence de ces champs est habituellement expliquée de manière classique grâce à la théorie de la dynamo. Le mouvement de fluide visqueux et chargés électriquement génère ces champs.

 

Malheureusement, cette explication classique ne permet pas de comprendre toutes les mesures réalisées au cours des dernières décennies et, une fois de plus, les équipes scientifiques ont repris leur bâton de pèlerin en quête d’explications plus complètes.

 

Une nouvelle idée est née récemment et elle fait doucement son chemin. Une équipe américaine vient de proposer d’utiliser les métaux de Weyl pour reproduire, en laboratoire, les conditions astronomiques. Ils y sont poussés par plusieurs faits :

           Ils savent que les excitations électroniques se comportent comme des fermions sans masse se propageant à grande vitesse à l’intérieur de ces métaux (ex : dix pour cent de la vitesse de la lumière dans le graphène).

           Ils savent que ces transports électroniques s’accompagnent de turbulences mimant le comportement de fluide faiblement visqueux.

           Ils savent que ces mouvements sont gouvernés par un couplage entre les équations de Navier-Stokes et celles de Maxwell pour l’électromagnétisme ; c’est-à-dire par le même attelage que celui gouvernant la théorie de la dynamo.

 

D’où la proposition.

 

Source d’inspiration pour ce paragraphe :  Phys. Rev. Letter. 121, 176603(2018) ; publiée le 25 octobre 2018.

 

 

© Thierry PERIAT, 30 octobre 2018