Une limite de vitesse au coeur de la matière

Tallahassee, Floride. Tout près du campus de l’Université d’État de Floride, un bâtiment ordinaire abrite une installation extraordinaire : le National High Magnetic Field Laboratory. Le MagLab, pour les intimes, peut générer le champ magnétique continu le plus puissant sur Terre. Gaël Grissonnanche est un habitué des lieux : « On peut y travailler avec un champ de 45 teslas pendant plusieurs heures, détaille-t-il. C’est environ un million de fois le champ magnétique terrestre. » Grâce à cette machine, le physicien a réussi à mesurer ce qui semble être une nouvelle limite fondamentale de la matière : des électrons qui s’entrechoquent dans un matériau ne peuvent pas le faire à une cadence plus élevée qu’une certaine limite, et cette limite ne dépend pas des propriétés du matériau.

Tout commence à l’Université de Sherbrooke, il y a quelques années. Gaël Grissonnanche réalise alors son projet postdoctoral sous la supervision de Louis Taillefer, une pointure du monde de la physique quantique. « On s’intéresse à des matériaux appelés “métaux étranges”, explique le professeur. Ce sont des assemblages de différents éléments réalisés en laboratoire ; ils n’existent pas dans la nature. »

Lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur « normal », les électrons voyagent dans une même direction, mais s’entrechoquent telles des autos tamponneuses. Ces collisions sont à l’origine de la résistance électrique et des pertes d’énergie, sous forme de chaleur. « Pour de bons conducteurs comme le cuivre, ça n’arrive pas trop souvent, donne en exemple Gaël Grissonnanche. À température ambiante, et pour un même électron, on parle d’un choc tous les 100 milliardièmes de secondes, ou toutes les 10^-11 secondes. Ça paraît très fréquent, mais tout est relatif. » Ce chiffre est une moyenne pour le cuivre et varie d’un métal à l’autre.

En revanche, dans les métaux étranges, pour des raisons quantiques qui demeurent mystérieuses, les électrons se cognent beaucoup plus souvent, comme si la structure atomique du matériau levait toute limite. « Nous voulions découvrir à quel point cela survenait, et surtout vérifier s’il y avait une limite à la fréquence de ces collisions, et, si oui, la mesurer », explique le postdoctorant.

L’expérience élaborée par Gaël Grissonnanche et ses collègues a d’abord consisté à concevoir un métal étrange : un cuprate, un assemblage complexe d’oxyde de cuivre et de différents éléments. Dans ce cas-ci : du lanthane, du néodyme et du strontium, agencés en feuilles superposées de quelques atomes d’épaisseur. « J’en ai apporté une barre de quelques millimètres au MagLab, relate le jeune chercheur, qui est maintenant à l’Université Cornell. Je l’ai placée dans une enceinte à vide au cœur de l’électroaimant, je l’ai refroidie à quelques kelvins et j’ai commencé mes expériences. »

Quand on refroidit un métal, les collisions interélectrons se raréfient et la résistance diminue, au point de devenir nulle pour les métaux étranges en deçà d’une certaine température ; c’est la supraconductivité. Dans son minilingot de cuprate très refroidi, Gaël Grissonnanche a fait passer un courant, sans résistance. Puis il a allumé le superaimant. Sous l’influence du champ de 45 teslas, les électrons ont viré dans le matériau, comme des autos tamponneuses dont une roue serait bloquée d’un côté.

Le postdoctorant a recréé une résistance contrôlée dans le cuprate froid en forçant des carambolages. « En faisant varier l’intensité et l’angle du champ magnétique et en mesurant chaque fois la résistance obtenue, j’ai compilé suffisamment de données pour calculer le taux de collisions entre les électrons », dit-il.

Et c’est là que la matière s’est révélée dans toute son étrangeté : la cadence des chocs entre électrons ne peut pas augmenter à l’infini ; elle semble contrainte à une limite fondamentale qui ne dépend pas du type de matériau. « Si les métaux “normaux” ont une limite intrinsèque qui varie d’un métal à l’autre, les métaux étranges ne semblent pas en avoir, observe-t-il. Mais mes calculs ont révélé que la durée entre deux collisions semble quand même limitée par autre chose, et cette limite est la même dans tous les métaux étranges, peu importe les atomes dans le matériau : 10^-14 secondes, à température ambiante. En fait, ce nombre varie avec la température, mais ne change pas selon le matériau. » Comme s’il ne pouvait pas exister de durée plus courte ; comme si une limite fondamentale dans la matière empêchait davantage de chaos.

Louis Taillefer, qui n’en est pas à ses premiers faits d’armes dans l’univers quantique, semble fasciné : « On ne tombe pas tous les jours sur ce qui semble être une propriété fondamentale de la matière. Cette découverte fait partie des choses les plus marquantes que j’ai publiées. »

Ces travaux font écho à ceux du physicien allemand Max Planck, un des pères de la physique quantique. Ce dernier avait introduit en 1900 une constante qui porte maintenant son nom et qui est à la base de la mécanique quantique. « La constante de Planck a surgi dans mes calculs, se rappelle Gaël Grissonnanche. La mesure de la cadence de collisions multipliée par l’énergie thermique est égale à la constante de Planck. On touche donc à une limite planckienne de la matière, c’est-à-dire à une valeur irréductible. »

Encore plus déstabilisant : cette limite est isotropique, c’est-à-dire qu’elle s’applique dans toutes les directions. Un même électron doit respecter cette durée limite entre chaque collision, peu importe dans quelle direction il voyage et rencontre d’autres électrons.

Si cette limite avait été entrevue lors de précédents travaux, les physiciens de Sherbrooke ont été les premiers à la mesurer directement et à publier le tout dans la revue Nature en juillet 2021.

L’infiniment petit connaît maintenant ses limites.

Ont aussi participé à cette découverte : Anaëlle Legros, Simon Verret, Francis Laliberté et Clément Collignon (Université de Sherbrooke) ; et des chercheurs américains et canadiens.