- Métaux étranges intriqués et théorie des cordes

Outre la découverte (pour moi) des "métaux étranges" ("non liquide de Fermi") et l'utilisation de la théorie des cordes ou des branes (notamment de sa dualité) pour résoudre des problèmes de la matière condensée (alors qu'on pensait que la théorie des cordes ne servait à rien), ce que je trouve le plus intéressant, c'est que l'intrication (massive) puisse être à l'origine de propriétés physiques comme la supraconduction ou les variations atypiques de la résistivité de cet état particulier de la matière. De quoi renforcer l'hypothèse de von Neumann d'une entropie d'intrication.

Les métaux et les supraconducteurs mettent en jeu un très grand nombre d'électrons, de l'ordre de 1023 pour un échantillon typique. Et, dans certaines conditions, le phénomène d'intrication semble s'établir au sein de cette multitude d'électrons. L'étude de ces matériaux devient alors si complexe que les outils mathématiques que nous utilisions sont insuffisants.

Le principe de « dualité » permet de relier des théories des cordes qui semblent différentes. Un phénomène peut s'interpréter dans une théorie ou dans une autre, et un catalogue d'outils permet de traduire les aspects d'une théorie pour les interpréter dans l'autre. Par exemple, en 1997, Juan Maldacena, alors à l'Université Harvard, a mis en évidence une dualité entre des théories fonctionnant là où les effets quantiques sont faibles mais la gravité forte, et des théories utilisées quand les effets quantiques sont importants, mais la gravité faible.

Les conducteurs, les isolants et les supraconducteurs correspondent à diverses phases de la matière. Dans chaque cas, l'essaim électronique revêt une forme différente. Ces deux dernières décennies, les physiciens ont découvert encore d'autres phases électroniques dans les solides. Un exemple, pourtant très intéressant, n'a même pas de nom : par défaut, les physiciens le nomment « le métal étrange ». Il est caractérisé par une résistance électrique qui varie de façon inhabituelle avec la température par rapport aux métaux ordinaires.

Il est possible d'observer une transition de phase à zéro kelvin, entre l'état supraconducteur [paires de Cooper] et un état nommé « onde de densité de spin » [spin haut et bas alternés]. La modification du point de transition de phase (le point critique quantique) – en dopant le matériau ou en exerçant sur lui une pression pour changer la distance entre les atomes –, permet d'obtenir un nouvel état si l'on augmente la température : le métal étrange.

Si la quantité de dopant augmente, la régularité de l'onde de densité de spin diminue; Elle disparaît pour la quantité critique de 30% d'arsenic remplacé par du phosphore. Le spin de chaque électron a alors autant de chance d'être haut ou bas. L'onde densité de spin n'existe plus, mais le matériau devient supraconducteur. Si on maintient le dopage de 30% et que l'on augmente la température, une nouvelle phase apparaît, celle des métaux étranges.

Près du point critique quantique, les électrons ne se comportent plus indépendamment ou même par paires, mais deviennent intriqués en masse. Le raisonnement que nous avons appliqué à deux électrons s'étend maintenant à 1023 particules. Deux électrons voisins sont intriqués l'un avec l'autre ; cette paire, à son tour, est intriquée avec les paires voisines, et ainsi de suite, créant un énorme réseau d'interconnexions.

Quand les électrons des cristaux ont un degré limité d'intrication, on peut encore se les représenter comme des particules (soit des électrons simples, soit des paires). Mais quand beaucoup d'électrons deviennent fortement intriqués, on ne peut plus conserver l'image de particules, et la théorie classique peine à prévoir ce qui se passe. Dans notre nouvelle approche, nous décrivons ces systèmes en termes de cordes qui se propagent dans une dimension supplémentaire d'espace.

Le degré d'intrication peut être mathématiquement considéré comme une distance selon une dimension spatiale supplémentaire. Deux particules peuvent être éloignées dans l'espace ordinaire, mais leur proximité dans la dimension supplémentaire reflète leur intrication.