Localisation à N corps dans les isolants à paires de Cooper – CP-Insulators

La localisation de particules quantiques est l’une des questions fondamentales de la physique. Dans son article fondateur P. W. Anderson découvrit en 1958 que le désordre peut localiser des degrés de liberté quantiques indépendants. Mais au cours des décennies suivantes, l’effet des interactions sur la localisation, comme par exemple celui des répulsions coulombiennes entre électrons dans les solides désordonnés, est resté largement incompris.

Une avancée théorique fondamentale a été accomplie il y a une dizaine d’années. Il a été montré qu’un système de fermions en interaction, placé dans un potentiel désordonné et découplé de tout bain thermique extérieur, peut subir une transition d’un état “métallique” vers une phase localisée non ergodique, lorsque la température est abaissée en dessus d’une valeur critique T*. Cette transition a été baptisée many-body localization (MBL).

Cette prédiction a des conséquences fondamentales. Tout d’abord, elle représente une avancée majeure dans la compréhension des conditions dans lesquelles un système quantique isolé peut se thermaliser, et ainsi être décrit par la mécanique statistique à l’équilibre. De plus, elle prédit l’existence d’un nouveau type de phase isolante, qui présente une mobilité exactement nulle (dans la limite des systèmes de taille infinie) dans un intervalle de température fini (T < T*).

Bien que ces résultats aient suscité une activité théorique considérable, une démonstration expérimentale claire et complète de la MBL se fait encore attendre. Dans ce projet, nous proposons de rechercher cette nouvelle transition dans les isolants à paires de Cooper. Il s’agit de systèmes possédant des paires de Cooper localisées par le désordre. Le prototype en est l’oxyde d’indium amorphe sous champ magnétique. Un des partenaires du projet a en effet montré récemment qu’à basse température les électrons sont très bien découplés des phonons. D’autre part, il a été observé une divergence de la résistance électrique à température finie, l’une des signatures attendues de la transition MBL.

Ces premiers résultats sont très prometteurs et appellent une étude plus poussée et plus large afin d’identifier clairement et d’étudier les différents aspects de cette nouvelle transition. Nous proposons pour cela de mesurer la constante diélectrique et les coefficients thermoélectriques, ainsi que de rechercher les signatures de non ergodicité qui doivent apparaître à l’approche de T* et dans la phase isolante. Ces travaux seront complétés par la caractérisation et l’étude d’un second matériau candidat prometteur : l’alliage a-YxSi1-x isolant. L’ensemble des expériences sera mené en lien étroit avec les développements théoriques effectués par l’un des partenaires. Tous les partenaires impliqués sont des experts reconnus des domaines abordés.

Ce projet devrait permettre de produire la première étude expérimentale complète du nouveau paradigme de la physique de la localisation quantique qu’est la MBL.