La réorganisation spontanée et collective des degrés de liberté d’un système lors d’une transition de phase vient généralement accompagnée d’une rupture de symétrie et l’apparition d’un paramètre d’ordre.  La cristallisation de l’eau, l’alignement des spins électroniques dans un aimant, l’apparition de la supraconductivité dans un métal refroidi, ou encore l’apparition de particules massives dans l’Univers primitif sont tous des exemples de transitions de phase. Souvent, le paramètre d’ordre associé à la transition est facilement identifié, mais il existe des cas pour lesquels on observe une claire transition de phase sans qu’on puisse identifier le paramètre d’ordre correspondant : on est confrontés à un « ordre caché » [1]. En physique des particules, par exemple, des modes collectifs de masse non nulle (modes « lourds », les bosons W et Z) émergent suite à une brisure de symétrie de l’interaction électrofaible. Le paramètre d’ordre associé à cette brisure de symétrie serait l’hypothétique boson de Higgs, encore non détecté et objectif majeur du LHC.  En physique du solide, un exemple paradigmatique d’ordre caché est le métal URu₂Si₂, qui présente une transition de phase de deuxième ordre à une température T_o = 17.5 K, et dont le paramètre d’ordre associé reste un mystère après plus de 25 ans de recherche intensive tant expérimentale que théorique. Dans ce matériau, les fortes répulsions entre les électrons de conduction (amenant à des masses effectives électroniques grandes) mettent en compétition les comportements localisés et itinérants de ces électrons.  Une question critique est savoir si l’ordre caché dans l’URu₂Si₂ survient des électrons des orbitales f localisés sur les atomes d’uranium, ou si au contraire des électrons itinérants lourds sont à l’origine de l’instabilité donnant lieu à la transition.

Nous avons mené des expériences de spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) pour sonder les excitations collectives de basse énergie de ce matériau, et leurs changements lors de la transition d’ordre caché.  Nous avons découvert que quand l’URu₂Si₂ est refroidi à son état d’ordre caché, une bande d’électrons lourds, ayant une masse 25 fois supérieure à la masse de l’électron, migre des états microscopiques non occupés vers les états microscopiques occupés, causant une instabilité dans la surface de Fermi qui sépare ces deux ensembles d’états et qui est responsable du comportement macroscopique du métal [2].

Dans ce séminaire, nous introduirons quelques aspects de la physique des matériaux fortement corrélés et des matériaux à fermions lourds. Nous décrirons l’ARPES, une technique expérimentale puissante qui permet de sonder directement la structure électronique d’un matériau. Nous discuterons quelques aspects de la physique de l’URu₂Si₂, et décrirons les résultats de nos mesures, leur lien avec d’autres observations expérimentales, et leurs implications.

[1] V. Tripathi, P. Chandra and P. Coleman. Sleuthing hidden order. Nature Physics 3, 78 (2007)

[2] A. F. Santander-Syro, M. Klein, F. L. Boariu, A. Nuber, P. Lejay, and F. Reinert. Fermi-surface instability at the ‘hidden-order’ transition of URu₂Si₂. Nature Physics 5, 637-641 (2009).