173 ans. C’est l’âge de la loi que des physiciens indiens et japonais viennent de fracasser dans une feuille de carbone épaisse d’un seul atome. La loi de Wiedemann-Franz, formulée en 1853 et enseignée dans tous les cursus de physique du monde, repose sur un principe d’une apparente solidité : dans un métal, la capacité à conduire la chaleur et la capacité à conduire l’électricité sont proportionnelles. Quand l’une monte, l’autre monte. Toujours. Jusqu’à présent.

Publiés dans Nature Physics, les travaux d’une équipe de l’Institut Indien des Sciences (IISc) de Bangalore, en collaboration avec le National Institute for Materials Science du Japon, documentent une déviation de plus de 200 fois par rapport à cette loi dans des échantillons de graphène ultra-pur refroidis à basse température. Au lieu d’évoluer dans le même sens, les deux propriétés se sont déplacées en sens contraire : quand la conductivité électrique augmentait, la conductivité thermique chutait, et inversement. Une relation inverse là où la physique classique ne permet même pas d’envisager l’hypothèse.

Sommaire

1. Ce que la loi de Wiedemann-Franz dit (et ce qu’elle ne peut pas expliquer)
2. Le fluide de Dirac, ce plasma d’électrons qui ressemble au Big Bang
3. Propre, très propre : la clé expérimentale
4. Ce que cela ouvre concrètement

Ce que la loi de Wiedemann-Franz dit (et ce qu’elle ne peut pas expliquer)

La loi de Wiedemann-Franz établit une relation proportionnelle entre la conductivité électrique et la conductivité thermique des métaux, avec un coefficient de proportionnalité indépendant du matériau. Elle a été établie expérimentalement en 1853, à l’ère pré-quantique. Pendant plus de 170 ans, elle a tenu. Dans le cuivre, l’aluminium, l’argent, l’or : aucun métal connu n’a jamais réussi à s’en affranchir de façon aussi spectaculaire.

Le mécanisme sous-jacent est intuitif : dans un métal ordinaire, ce sont les mêmes électrons qui transportent à la fois les charges électriques et l’énergie thermique. Ces deux flux partagent donc la même « autoroute » et les mêmes limitations. Dissociez les deux, et vous brisez le modèle. C’est précisément ce que le graphène a fait. Cette divergence montre que l’énergie et la charge s’écoulent par des canaux distincts dans cet état exotique.

Le détail qui rend le résultat encore plus déstabilisant : ce découplage n’est pas aléatoire. Les deux types de conduction s’appuient sur une constante universelle indépendante du matériau, égale au quantum de conductance, une valeur fondamentale liée au mouvement des électrons. Ce n’est pas du chaos. C’est un ordre différent, régi par des règles que la physique classique ne peut tout simplement pas décrire.

Le fluide de Dirac, ce plasma d’électrons qui ressemble au Big Bang

Au point critique de l’expérience, les électrons cessent de se comporter comme des particules individuelles. Au lieu de cela, ils se déplacent collectivement, coulant comme un liquide. Ce mouvement de type fluide ressemble à de l’eau, mais avec une résistance à l’écoulement bien plus faible.

Ce régime s’observe à ce que les physiciens appellent le « point de Dirac », un point de basculement électronique précis, atteint en ajustant le nombre d’électrons dans le matériau, où le graphène n’est ni un métal ni un isolant. C’est là que la magie opère. « Au point de Dirac, les électrons ne se comportent pas comme des particules individuelles mais s’écoulent comme un fluide, » explique Aniket Majumdar, doctorant à l’IISc et premier auteur de l’étude. La conductivité thermique est 200 fois supérieure à ce que prédit la loi de Wiedemann-Franz.

La comparaison qu’utilisent les chercheurs pour décrire cet état est vertigineuse : ce fluide de Dirac est « un état exotique de la matière qui imite le plasma quark-gluon, une soupe de particules subatomiques hautement énergétiques observée dans les accélérateurs de particules du CERN. » Ce plasma quark-gluon n’existe normalement que dans des conditions extrêmes : collisions d’ions lourds à des températures des milliards de fois supérieures à celle du Soleil, reproduisant l’état de l’univers quelques microsecondes après le Big Bang. L’équipe a mesuré la viscosité de ce fluide de Dirac et l’a trouvée minimale, la plus proche possible d’un fluide parfait. Ici, le même régime apparaît dans une feuille de carbone posée sur une table de laboratoire.

Propre, très propre : la clé expérimentale

Obtenir ce résultat n’a rien d’évident. Quand le graphène contient des impuretés, les électrons commencent à interagir avec elles plutôt qu’entre eux, supprimant et affaiblissant les interactions électron-électron, et avec elles, l’émergence du fluide de Dirac. Toute la difficulté résidait donc dans la fabrication d’échantillons d’une pureté exceptionnelle.

Les scientifiques de l’IISc et du National Institute for Materials Science au Japon ont conçu des dispositifs de graphène ultra-propres encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal, et ont suivi comment les charges et la chaleur s’écoulent près du point de Dirac. Cette encapsulation dans le nitrure de bore est la technique qui permet de protéger le graphène des contaminations extérieures, clé de la pureté nécessaire à l’observation. La conductivité électrique a convergé vers une valeur fixe, indépendante des détails du dispositif, confirmant une constante universelle du fluide de Dirac prédite théoriquement depuis longtemps.

Cette confirmation expérimentale d’une prédiction théoriquement formulée depuis deux décennies sans jamais avoir pu être vérifiée en laboratoire représente en soi une victoire scientifique. « Nous avons combiné des mesures de conductivité électrique et thermique pour démontrer l’échelle de conductivité quantique critique dans le graphène monocouche, un effet théoriquement prédit il y a près de vingt ans mais sans vérification expérimentale jusqu’à présent, » précise le professeur Arindam Ghosh.

Ce que cela ouvre concrètement

La présence d’un fluide de Dirac dans le graphène pourrait permettre le développement de capteurs quantiques très sensibles, capables d’amplifier des signaux électriques extrêmement faibles et de détecter des champs magnétiques infimes. Ce type de détecteur intéresse notamment la neurologie (imagerie cérébrale à haute résolution), la navigation par magnétométrie quantique et la détection de signaux RF ultra-faibles.

Les découvertes établissent le graphène comme une plateforme idéale et peu coûteuse pour explorer des concepts issus de la physique des hautes énergies et de l’astrophysique, comme la thermodynamique des trous noirs et l’entropie d’intrication, dans un cadre de laboratoire. Dit autrement : des phénomènes qui nécessitaient hier le Grand Collisionneur de Hadrons ou des simulations théoriques sur des supercalculateurs pourraient demain se reproduire sur un échantillon de graphène de quelques micromètres carrés, à un coût sans commune mesure. Ce glissement d’échelle entre physique des hautes énergies et physique de la matière condensée est peut-être la conséquence la plus durable de cette expérience.

Sources : science.org | arxiv.org