Des physiciens développent un “cristal de Wigner” inhabituel composé simplement d’électrons
En 1934, Eugene Wigner, un pionnier des techniciens quantiques, a pensé à une sorte de matière étrange : un cristal fait d’électrons. L’idée était simple, prouvant qu’elle ne l’avait pas été. Avec un succès limité, les physiciens ont essayé de nombreuses astuces pendant huit ans pour pousser les électrons directement dans la formation de ces cristaux dits de Wigner. En juin, néanmoins, deux équipes indépendantes de physiciens ont rapporté dans Nature l’un des suivis expérimentaux les plus directs des cristaux de Wigner à ce jour.
« La cristallisation de Wigner est une suggestion si ancienne », a déclaré Brian, un physicien de l’Ohio State College qui n’était pas inclus dans le travail. “Le voir si facilement était vraiment bien.”
Pour fabriquer des électrons à partir d’un cristal de Wigner, il pourrait sembler qu’un physicien ait besoin de les refroidir. Les électrons se repoussent ; par conséquent, le refroidissement réduirait leur puissance et les congèlerait en un treillis tout comme l’eau se transforme en glace. Pourtant, les électrons froids obéissent aux réglementations étranges de la mécanique quantique : ils se comportent comme des ondes. Au lieu d’être pris en charge directement dans la zone d’une grille soigneusement achetée, les électrons ondulatoires ont souvent tendance à se déplacer et à s’écraser sur leurs voisins d’à côté. Ce qui doit être un cristal devient beaucoup plus comme une piscine.
Parmi les groupes en charge du tout nouveau travail, un cristal de Wigner a été découvert pratiquement par accident. Des chercheurs dirigés par Hongkun Park à l’Université Harvard explorent les habitudes des électrons dans un « sandwich » de feuilles extrêmement minces d’un semi-conducteur séparées par un produit que les électrons ne peuvent pas traverser. Les physiciens ont refroidi ce sandwich semi-conducteur en dessous de − 230 degrés Celsius et ont expérimenté le nombre d’électrons dans chaque couche.
Le groupe a observé que lorsqu’il y avait une variété particulière d’électrons dans chaque couche, ils étaient tous étrangement immobiles. « D’une manière ou d’une autre, les électrons à l’intérieur des semi-conducteurs pourraient stagner. C’était une localisation inattendue », a déclaré You Zhou, auteur principal de la nouvelle étude.
Zhou a partagé ses résultats avec des collègues théoriciens, qui à un moment donné ont rappelé un vieux concept de Wigner. Wigner avait calculé que les électrons dans un matériau bidimensionnel plat prendraient sans aucun doute un motif comparable à un sol entièrement recouvert de carreaux de céramique triangulaires. Ce cristal empêcherait les électrons de se déplacer totalement.
Dans le cristal de Zhou, les forces répulsives entre les électrons de chaque couche et entre les couches interagissaient pour préparer les électrons dans la grille triangulaire de Wigner. Ces forces étaient suffisamment fortes pour éviter le déversement et le ballottement d’électrons prévus par les techniciens quantiques. Mais ce comportement ne se produisait que lorsque la variété des électrons dans chaque couche était telle que les grilles cristallines supérieure et inférieure étaient alignées : un triangle plus petit dans une couche devait remplir spécifiquement la zone dans les plus grandes dans les autres. Park a appelé les rapports d’électrons qui ont abouti à ces conditions les « résultats morts des cristaux bicouches de Wigner ».
Après avoir reconnu qu’ils avaient un cristal Wigner sur leurs mains, le groupe de Harvard a fait fondre les électrons de force pour accepter leur nature d’onde quantique. La fusion des cristaux de Wigner est un changement d’étape quantique, semblable à la glace qui devient de l’eau, mais sans chauffage. Les philosophes avaient prédit précédemment les problèmes essentiels du processus, mais la nouvelle expérience est la première à le valider via des dimensions directes. “C’était vraiment, vraiment excitant de voir ce que nous avons appris des livres et des documents dans les données expérimentales”, a déclaré Park.
Des expériences passées ont trouvé des pointes de condensation de Wigner ; Cependant, les toutes nouvelles études utilisent la preuve la plus directe grâce à une stratégie expérimentale unique. Les chercheurs ont fait exploser les couches semi-conductrices avec une lumière laser pour produire une entité semblable à une particule appelée exciton. Le produit réfléchirait alors ou réémettrait certainement cette lumière. Les scientifiques peuvent déterminer si les excitons avaient communiqué avec des électrons ordinaires à écoulement libre ou des électrons gelés dans un cristal de Wigner en évaluant la lumière. “Nous avons la preuve directe d’un cristal Wigner”, a déclaré Park. “Vous pouvez voir que c’est un cristal qui a cette structure triangulaire.”
Le deuxième groupe d’étude, dirigé par Ataç Imamoğlu à l’Institut fédéral suisse d’innovation de Zurich, a également utilisé cette méthode pour observer le développement d’un cristal de Wigner.
Le nouveau travail éclaircit le problème bien connu de nombreux électrons de connexion. Lorsque vous placez beaucoup d’électrons dans une zone, ils poussent tous les uns sur les autres, et aussi, il devient impossible de garder une trace de toutes les pressions également liées.
Philip Phillips, physicien au College of Illinois, Urbana-Champaign qui n’était pas impliqué dans l’expérience, a défini les cristaux de Wigner comme un archétype pour tous ces systèmes. Il a noté que le seul problème impliquant des électrons et des forces électriques que les physiciens savent résoudre avec un simple stylo et du papier est un seul électron dans l’atome d’hydrogène. Dans les atomes avec un autre électron, le problème de prévoir ce que feront les électrons communicants finit certainement par être irréductible. La question de plusieurs électrons en interaction a longtemps été considérée comme l’une des plus difficiles en physique.
À l’avenir, l’équipe de Harvard prévoit d’utiliser son système pour répondre à des enquêtes impressionnantes concernant les cristaux de Wigner et les électrons fortement corrélés. Une question ouverte est de savoir ce qui se passe, en particulier, lorsque le cristal de Wigner fond ; les théories contradictoires abondent. En outre, l’équipe a observé les cristaux de Wigner dans leur sandwich semi-conducteur à des températures plus élevées et pour des variétés d’électrons plus larges que les théoriciens ne l’avaient prévu. Examiner pourquoi c’était le cas pourrait apporter de toutes nouvelles compréhensions concernant le comportement des électrons fortement associés.
Eugene Demler, un théoricien de Harvard qui a ajouté aux deux nouvelles études, pense que le travail éclaircira les vieux débats universitaires et influencera de toutes nouvelles enquêtes. « Il est toujours beaucoup plus facile de travailler sur un problème lorsque l’on peut rechercher les solutions à la fin d’une publication », a-t-il affirmé. “Et aussi avoir ajouté des expériences ressemble à chercher la réponse.”
Initialement publié le Quanta Magazine. Lire l’article d’origine.
