SCIENCES.ENERGIES.ENVIRONNRMRNT/LE MONDE SELON LA PHJYSIQUE/2019 WEEK 35 PART 1

Voici le début de  ma  sélection de SCIENCE X week 35

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1/New theory draws connections between Planckian metals and black holes

Une nouvelle théorie  conduit   des connexions  entre les métaux  Planckéens et les trous noirs 

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Et comme j’ignorais ce que c’était encore  ce nouveau type de métal    je préfère vous présenter la traduction de l article de SCIENCE  X  en entier

« Deux chercheurs de l'Université de Harvard, Aavishkar A. Patel et Subir Sachdev, ont récemment présenté une nouvelle théorie d'un métal planckien qui pourrait éclairer des aspects auparavant inconnus de la physique quantique. Leur article, publié dans Physical Review Letters, introduit un modèle de fermions sur réseau qui décrit un métal de Planck  à basse température (T-> 0).

 

Les métaux contiennent de nombreux électrons, qui portent le courant électrique. Lorsque les physiciens considèrent la résistance électrique des métaux, ils la perçoivent généralement lorsque le flux d'électrons porteurs de courant est interrompu ou dégradé en raison de la diffusion  soit par les électrons d'impuretés  soit à cause  du réseau cristallin dans le métal.

"Cette image, présentée par Drude en 1900, donne une équation pour la résistance électrique en termes de temps que les électrons passent à se déplacer librement entre les collisions successives", a déclaré Patel à Phys.org. "La durée de cet intervalle de temps entre les collisions, appelée" temps de relaxation "ou" temps de levée des électrons ", est généralement suffisamment longue dans la plupart des métaux courants pour que les électrons puissent être définis comme des objets mobiles distincts destinés à un observateur microscopique, et  dans ce système de Drude. l'image fonctionne remarquablement bien. "

Bien que la théorie proposée par Drude s’applique à plusieurs métaux, il existe d’autres métaux qui présentent un comportement différent, notamment ceux qui sont produits lorsque les supraconducteurs à haute température sont chauffés au-dessus de leur température de transition supraconductrice ou lorsque la supraconductivité est supprimée par application d'un champ magnétique.. Dans ces métaux non conventionnels, le temps de relaxation apparent est très court, en particulier de l'ordre de la constante de Planck divisée par la température constante de Boltzmann (c'est-à-dire ℏ / (kBT)).

Ce phénomène est connu sous le nom de dissipation de Planck et ces métaux sont par conséquent appelés métaux Planckiens  La courte durée de vie des électrons observée dans ces métaux suggère que les électrons individuels ne peuvent plus être considérés comme des objets bien définis, ce qui rend leur description mathématique plus ardue.

"Ce qui est vraiment surprenant, c’est que dans une variété de matériaux ayant des forces d’interaction électron-électron différentes (bien que tous aient des électrons en interaction forte), la valeur numérique de la durée de vie des électrons semble être très proche d’exactement ℏ / (kBT) "Expliqua Patel. "Cela signifie qu'il existe une théorie universelle décrivant tous ces" métaux étranges ", qui  a échappé   jusqu'à présent aux scientifiques."

Conscients de cette lacune dans la littérature, Patel et Sachdev ont entrepris de développer une description mathématique précise de la mécanique quantique de ces métaux étranges. La principale hypothèse de leurs travaux est que les interactions entre électrons ne conservent pas leur quantité de mouvement , ce qui se produit généralement dans un système comportant des irrégularités microscopiques, appelées désordre.

Des études antérieures ont montré que tous les matériaux présentant ce «comportement étrange du métal» présentent des quantités importantes de désordre. Dans leur étude, Patel et Sachdev ont examiné séparément les interactions entre électrons qui conservent de l'énergie et les interactions entre ceux qui ne le font pas.

"Les interactions non conservatrices d'énergie" renormalisent "les électrons (c'est-à-dire qu'elles changent de masse), tandis que les interactions conservatrices d'énergie (ou" résonantes "), dont nous calculons les effets exactement, conduisent à une durée de vie des électrons presque exactement /ℏ/(kBT)  (lorsque nous essayons d’exprimer la résistance électrique en utilisant la formule de Drude ", a déclaré Patel. "En outre, nous constatons que cette durée de vie est indépendante de la force exacte des interactions électron-électron conformément aux observations expérimentales."

En plus de fournir un modèle mathématiquement précis et soluble pour la dissipation de Planck la théorie développée par Patel et Sachdev décrit une signature unique dans la fonction spectrale électronique, qui est une quantité mathématique qui mesure le nombre d'états quantiques à un électron disponibles à un endroit  particulier donné d’énergie. Fait intéressant, cette signature caractéristique peut être mesurée dans des expériences de photoémission.

"La vitesse des électrons responsables du transport du courant est considérablement ralentie jusqu'à atteindre une quantité proportionnelle à la température du système", a expliqué Patel. "Cela devrait être visible expérimentalement en observant la dispersion du pic dans la fonction spectrale de l'électron."

Un autre aspect intriguant de la nouvelle théorie proposée par les chercheurs est que les fonctions d'onde de la mécanique quantique présentées sont étroitement liées à celles du modèle de Sachdev-Ye-Kitaev, qui est connecté à la physique des trous noirs. Si leurs idées sont valables, ils suggéreraient également qu'il existe des liens physiques profonds entre les trous noirs et les métaux étranges.

"La connexion au modèle de Sachdev-Ye-Kitaev met en évidence l'importance de l'enchevêtrement quantique à plusieurs particules", a déclaré Sachdev. "Parfois appelée" action fantasmagorique à distance ", l’intrication ou l'enchevêtrement quantique est peut-être la caractéristique la plus nouvelle de la théorie quantique: la capacité de créer des états dans lesquels l'observation d'une particule peut influencer l'état de toutes les autres particules, même très éloignées. Nos travaux montrent que le goût de l'intrication quantique créé par le modèle de Sachdev-Ye-Kitaev est étroitement lié à celui des métaux étranges et des trous noirs. "

À l’avenir, le modèle proposé par Patel et Sachdev pourrait avoir des conséquences importantes pour le domaine de la physique. En fait, en plus de fournir une théorie qui pourrait éclairer le comportement des métaux de Planck  leur papier suggère un lien possible entre ces métaux «inhabituels» et les trous noirs. Les chercheurs espèrent que leur étude répondra éventuellement à certaines des questions fondamentales liées aux théories quantiques des trous noirs, notamment le paradoxe de l'information de Hawking.

"Nous envisageons à présent d'examiner comment la forme spécifique d'interactions électron-électron que nous utilisons dans notre théorie peut être résolue avec des méthodes conventionnelles pour étudier l'interaction d'électrons désordonnés, peut-être en faisant des hypothèses non conventionnelles qui peuvent être justifiées a posteriori", a déclaré Patel. . "Il existe également d'autres matériaux de la mécanique quantique qui sont des isolants électriques (pas des métaux), mais montrent des analogies avec le phénomène de dissipation de Planck métallique dans leurs conductivités thermiques. Il serait intéressant de voir si nos stratégies pourraient également développer des théories exploitables pour eux, d'une manière similaire."

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More information: Aavishkar A. Patel et al. Theory of a Planckian Metal, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.066601

sachdev.physics.harvard.edu/

Subir Sachdev. Bekenstein-Hawking Entropy and Strange Metals, Physical Review X (2015). DOI: 10.1103/PhysRevX.5.041025

Kamran Behnia et al. A lower bound to the thermal diffusivity of insulators, Journal of Physics: Condensed Matter (2019). DOI: 10.1088/1361-648X/ab2db6

Journal information: Physical Review Letters  , Physical Review X

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MON COMMENTAIRE

On reste toujours l ‘élève des maitres son temps !Et  je dois reconnaitre  que j’avais appris la théorie des bandes  de conduction et des bandes interdites aux électrons   qui conduisait aux conducteurs , semi -conducteurs , isolants et super conducteurs et que j’ignorais  cette dissipation ou freinage de Planck

Ce travail me semble constituer une ouverture nouvelle   mais je ne souscris pas à  sa comparaison avec  l’exemple  de l’évaporation  des trous noirs de Hawking qui est proposée    …Il s’agit dans le premier cas d’un travail expérimental  alors que le second n est pour l’instant qu une spéculation mathématique !