CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants 2009

13 octobre 2009
Yuri Mukharsky, Andrei Penzev et Eric Varoquaux, Groupe de Nanoélectronique

(french version English version)

Si l'existence en était avérée, un "super-solide" serait un état de la matière combinant la rigidité d'un solide et les propriétés d'un superfluide. Ce serait un état inédit de la matière. Toutefois, des incertitudes subsistent sur la mise en évidence d'un tel état et sur la manière dont il pourrait se former. Dans un article à Physical Review B, 80 (2009) 140504(R) ) des chercheurs du SPEC ont mesuré les propriétés élastiques de l'hélium-4 solide par des techniques acoustiques basse fréquence ultra-sensibles. Leurs résultats permettent de franchir une étape dans la compréhension de l'apparition de la supersolidité. Leur travail a été distingué par les éditeurs de Physical Review B de l'American Physical Society avec l'attribution du label "Editor's Suggestions".

Du point de vue expérimental, la << supersolidité >> se manifeste quand partie d'un échantillon d'hélium-4 solide contenu dans la masselote d'un oscillateur de torsion se découple mécaniquement des parois de l'appareil. Ce phénomène, supposé quantique mais pour le moment inexpliqué, apparaît au-dessous de 0.2 Kelvin et semble lié à la présence de défauts cristallins, très probablement des lignes de dislocation. << Quel genre de lignes de dislocation >> est la question abordée ici par la mesure de la relation contrainte-déformation d'échantillons d'hélium solide fortement déformés.

Comme les cristaux d'hélium sont fragiles et endommagés même par de très faibles contraintes, les chercheurs du SPEC ont utilisé un capteur acoustique extrêmement sensible utilisant une jauge de déplacement supraconductrice pour mesurer les déformations sans introduire de défauts supplémentaires. La résolution en déplacement se trouve dans la zone des femtomètres.  Moyennant ces précautions ils ont pu contourner les effets rhéologiques non associés à la formation de la phase supersolide.

La plupart des échantillons ont montré une augmentation très notable de rigidité à basse température, au-dessus de 0.15 Kelvin, tendance déjà notée par d'autres (J. Day et al. cond-mat:0903.1269), mais avec une ampleur encore plus importante. La figure illustre le déplacement en fréquence de la résonance fondamentale de l'hélium solide dans la cavité acoustique en fonction de la température. Cette variation de fréquence traduit le mouvement interne des lignes de dislocation dans la matrice cristalline. Elle montre que la constante de Poisson* varie de manière considérable entre le zéro absolu et 1 Kelvin. Au fur et à mesure que la température s'élève, les lignes de dislocation se << dégèlent >> et se mettre à suivre les déformations associées au champ acoustique. Cette réponse des dislocations a une influence profonde sur l'élasticité de l'hélium-4 solide entre 0,2 et 1 K. L'ampleur du phénomène révèle un réseau de lignes de dislocation anormalement dense et tortueux. Ces observations impliquent également que les mouvements des dislocations ne sont pas bloqués dans les vallées de Peierls, suggérant des dislocations rugueuses à l'échelle atomique. Ces résultats ont tout lieu d'intriguer, mais leur lien avec un hypothétique état supersolide doit encore être élucidé.


* un des paramètres qui caractérisent les propriétés élastiques de la substance.

Référence :

Low-frequency acoustics in solid 4He at low temperature
Yu. Mukharsky, A. Penzev, and E. Varoquaux
Phys. Rev. B, 80 (2009), 140504(R)

09 juin 2009

(french version English version)

On pensait bien connaitre la physique des transistors, et en particulier celle de ceux qui peuplent par millions le cœur de nos ordinateurs, les MOSFETs au Silicium (Metal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor). Or, dès 1994 une nouvelle génération de MOSFETs à très haute mobilité a permis de réaliser des expériences où la densité électronique était extrêmement basse (Kravchenko et al 1994). Les expériences menées dans ces « transistors extrêmes » ont montré un comportement tout à fait spectaculaire : à basse température ils se comportent comme des métaux au lieu de l’isolant attendu. (Au lieu de diverger, la résistivité décroit d’un ordre de grandeur dans une fenêtre de température assez étroite).

Pas de métaux  à 2 dimensions.

Pour comprendre l’émoi que ces résultats expérimentaux ont suscité dans la communauté, il faut remonter au célèbre article sur la localisation  pour lequel P.W. Anderson a obtenu son prix Nobel en 1977 (voir article : Anderson 1958). Anderson y étudie l’effet d’un faible désordre dans les métaux et conclut qu’à très basse température (i.e. pour un système  quantiquement cohérent) les interférences multiples générées par ce désordre provoquaient une localisation des fonctions d’onde du métal, le rendant ainsi isolant. L’effet est particulièrement fort à une et deux dimensions (comme dans nos MOSFETs) où il était prédit qu’un petit désordre, même arbitrairement faible, suffisait à rendre le système isolant. Pendant deux décennies, la communauté a vérifié à la fois expérimentalement et théoriquement ce paradigme : pas de métaux à deux dimensions. En particulier le SPEC, à travers notamment les travaux de M. Sanquer et de J-L Pichard, a fortement contribué à l’étude de la localisation.

Le suspect idéal, les corrélations électroniques.  Les expériences de Kravchenko, reproduites ensuite dans divers groupes expérimentaux (au SPEC également, dans le groupe de D. L’Hôte) ont ainsi été à l’origine d’une petite révolution dans la communauté du transport quantique. Les modèles et mécanismes affluèrent de toutes parts pour tenter de résoudre le fâcheux différent entre la théorie et les mesures expérimentales qui persistaient à montrer un comportement métallique. Les uns cherchaient des artefacts expérimentaux tandis que les autres proposaient des modèles plus ou moins farfelus ou ad hoc. Sur un seul point un consensus émergeait : à très basse densité, les corrélations électron-électron introduites par la répulsion Coulombienne prennent une importance considérable. Or ces corrélations résistent à la plupart des approches théoriques.

Localisation et Corrélations.

Dans le cadre de la thèse de Geneviève Fleury, nous avons développé une approche numérique, alliant Monte-Carlo quantique pour traiter le problème quantique à N corps et théorie d’échelle pour extraire la limite thermodynamique. Cette approche nous a permis, pour la première fois, d’étudier le problème couplé de la localisation d’Anderson en présence de corrélations fortes. Le diagramme de phase obtenu  (voir figure) montre bien la « phase »métallique dans la région expérimentale où elle a été observée, et ce, ab initio (i.e. sans paramètre ajustable). Le scénario qui se dégage de nos calculs est en demi-teinte : d’un coté les corrélations sont bien à l’origine des observations expérimentales – une physique nouvelle émerge des corrélations. De l’autre le système reste un isolant au sens thermodynamique du terme. Autrement dit,  nous prédisons qu’à plus basse température la résistivité doit diverger en accord avec le paradigme d’Anderson.

30 septembre 2009
F. Mallet, F. Ong, A. Palacios, F. Nguyen, P. Bertet, Denis Vion and D. Esteve

 

Après la réalisation d'un des tous premiers qubits (état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique) en 2002, les chercheurs du groupe quantronique de l'IRAMIS-SPEC ont franchi un nouveau pas vers  la réalisation d'un processeur quantique simple : la lecture fiable et non destructive d'un qubit.

 

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