Des tourbillons d’électricité observés pour la première fois
Des physiciens ont observé des tourbillons d’électricité formés par des électrons interagissant d’une manière similaire aux molécules d’eau dans les tourbillons, confirmant enfin les prédictions de longue date des théoriciens.
Des tourbillons d’électricité ont été observés pour la première fois, certes à une échelle beaucoup plus petite que celle-ci. Crédit image : Christine Daniloff, MIT
Dans l’enseignement de l’électricité, une analogie populaire mais très critiquée est celle de l’eau qui coule dans des tuyaux, la tension étant la contrepartie d’un changement de hauteur et le courant la quantité de flux dans un circuit. Certains élèves trouvent cette analogie utile, mais de nombreux physiciens la jugent trompeuse en raison des différences de comportement entre les électrons et les molécules d’eau.
Dans certains matériaux, cependant, l’analogie se vérifie ; les électrons s’influencent mutuellement d’une manière qui ressemble davantage aux interactions entre les molécules d’eau, ce qui entraîne un comportement semblable à celui d’un fluide. L’une des formes de ce comportement est la création de tourbillons, qui viennent d’être décrits dans Nature pour la première fois, après s’être révélés insaisissables auparavant.
“Les tourbillons d’électrons sont attendus en théorie, mais il n’y a pas eu de preuve directe, et voir c’est croire”, a déclaré Leonid Levitov, professeur au MIT, dans un communiqué. “Maintenant, nous l’avons vu, et c’est une signature claire de se trouver dans ce nouveau régime, où les électrons se comportent comme un fluide, et non comme des particules individuelles.”
Parmi les phénomènes étranges observés dans ces conditions figurent la résistance négative et le “flux d’électrons superballistiques”, où les électrons semblent coopérer pour passer à travers des espaces étroits.
Un électron individuel se déplaçant dans le cadre d’un courant électrique est soumis à un large éventail de forces. Il s’agit notamment du mouvement des atomes dans le matériau conducteur et des impuretés qui peuvent affecter son flux, ainsi que de la tension qui l’amène à se déplacer en premier lieu. Les autres électrons qui font également partie du flux ont également une influence, mais dans la plupart des matériaux, celle-ci est mineure par rapport à tout le reste. Les matériaux supraconducteurs, dans lesquels les paires d’électrons se déplacent plus facilement que ne le ferait un électron seul, constituent une exception partielle.
Cependant, si vous pouvez amortir tout le reste, les interactions quantiques entre électrons deviennent dominantes. Les électrons se déplacent alors comme un fluide visqueux. Pour atteindre cet état, les matériaux dans lesquels ils se déplacent doivent être débarrassés de leurs impuretés et refroidis à un niveau proche du zéro absolu, de sorte que les mouvements des atomes disparaissent quasiment.
En utilisant ces propriétés, Levitov et ses collègues ont obtenu un flux d’électrons presque sans résistance à travers le graphène en 2017. Cependant, l’eau ne s’écoule pas toujours de manière fluide. Au contraire, elle peut devenir turbulente, et même créer des tourbillons. Les auteurs n’ont pas observé de comportement comparable dans le graphène, ils se sont donc tournés vers des feuilles de ditelluride de tungstène ( WTe2) d’un seul atome d’épaisseur à la place.
Le WTe2 ne fait pas seulement ressortir les propriétés ondulatoires des électrons, a noté M. Levitov : “Le matériau est très propre, ce qui rend le comportement de type fluide directement accessible.” À titre de comparaison, les auteurs ont gravé un canal entre deux chambres circulaires sur des feuilles de WTe2 et d’or. Lorsque des courants ont traversé le motif à 4,5°K (-232°C), des champs magnétiques ont révélé le comportement des électrons.
Dans le ditelluride de tungstène, les électrons qui circulent dans les canaux latéraux forment des tourbillons, mais cela ne se produit pas dans l’or. Crédit image : Aharon-Steinberg et al/Nature
Les auteurs ont pu observer des électrons tourbillonnant dans et hors des chambres latérales en faisant de minuscules tourbillons sur leur chemin, mais uniquement dans le ditelluride de tungstène, pas dans l’or.
“Nous avons observé un changement dans la direction du flux dans les chambres, où la direction du flux s’est inversée par rapport à celle de la bande centrale”, a déclaré M. Levitov. “C’est une chose très frappante, et c’est la même physique que celle des fluides ordinaires, mais qui se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une signature claire du fait que les électrons sont dans un régime de type fluide.”
Les conditions devaient être soigneusement contrôlées pour produire ces tourbillons – si les espaces par lesquels les électrons circulent étaient élargis, les votrices, et en fait toute turbulence, disparaissaient. Près du point de transition où le flux régulier remplace la turbulence, on a vu un tourbillon se diviser en deux, l’un des comportements prédits que Levitov et son équipe espéraient observer.
On espère que ces observations auront des applications dans le monde réel, par exemple pour trouver des moyens d’alimenter plus efficacement les appareils électroniques à faible consommation d’énergie.
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Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche
