Des scientifiques piègent pour la première fois des électrons dans un cristal en 3 dimensions
Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT/ Etats-Unis) ont réalisé une première mondiale en piégeant des électrons dans un cristal tridimensionnel.
Ils pensent que les électrons dans cet état « zombifié » pourraient agir de manière coordonnée et quantique. Les comportements étranges qui en résultent, tels que la supraconductivité et des formes uniques de magnétisme, suggèrent que le fait de piéger des électrons dans des cristaux pourrait déboucher sur des lignes électriques ultra-efficaces, une nouvelle base pour l’informatique quantique et des appareils électroniques plus intelligents.
Habituellement, les électrons se déplacent librement dans les matériaux conducteurs. Ils se heurtent les uns aux autres, mais leurs mouvements globaux sont indépendants des mouvements des autres électrons dans le réseau. Dans une nouvelle étude publiée la semaine dernière (line plus bas), des chercheurs montrent comment ils ont réussi à piéger des électrons dans un cristal pur.
En faisant en sorte que les électrons s’installent dans le même état d’énergie, ils commencent à se comporter comme un seul être. Cet état est connu sous le nom de « bande plate » électronique (Flat band), et l’on pense qu’il résulte du fait que les électrons « ressentent » les effets quantiques des autres électrons dans le cristal. Celui-ci a été synthétisé par des physiciens dans un arrangement d’atomes, un pavage trihexagonal qui ressemble aux motifs tissés du « Kagomé », l’art japonais de la vannerie.
Comme pour le GIF en entête, arrangement cubique d’atomes ressemblant à un réseau de Kagomé. (Joseph Checkelsky, Riccardo Comin, et col./ MIT)
Selon l’auteur Joseph Checkelsky, professeur agrégé de physique au MIT :
Maintenant que nous savons que nous pouvons fabriquer une bande plate à partir de cette géométrie, nous sommes très motivés pour étudier d’autres structures susceptibles de présenter une nouvelle physique qui pourrait servir de plate-forme pour de nouvelles technologies.
Ces dernières années, les physiciens ont réussi à piéger des électrons dans des états électroniques de bande plate dans des matériaux 2D. Mais ces électrons s’échappent souvent dans la troisième dimension, ce qui rend les états de bande plate difficiles à maintenir en 3D. L’équipe s’est basée sur les réseaux 2D triangulaires et hexagonaux interconnectés pour synthétiser un motif de type Kagomé en 3D. Le pyrochlore , un minéral hautement symétrique, a été utilisé.
Selon Checkelsky :
Nous réunissons certains éléments, dans ce cas, le calcium et le nickel, nous les faisons fondre à très haute température, nous les refroidissons et les atomes s’organisent d’eux-mêmes dans cette configuration cristalline, semblable à celle du Kagomé.
La surface du cristal étant rugueuse, il est difficile de l’inspecter de près pour comprendre ce qui se passe à des endroits précis. Afin de contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie photoélectronique résolue en angle (ARPES). Cette technique utilise un faisceau de lumière ultrafocalisé pour cibler des endroits spécifiques de la surface. Ils ont ensuite pu mesurer les énergies individuelles des électrons à ces endroits.
En remplaçant le nickel par du rhodium et du ruthénium, la bande plate des électrons devrait, en théorie, passer à une énergie nulle, un état supraconducteur. En testant cette hypothèse, les chercheurs ont constaté ce comportement.
Selon Riccardo Comin, coauteur de l’étude et professeur associé au MIT :
Cela constitue un nouveau paradigme pour réfléchir à la manière de trouver des matériaux quantiques nouveaux et intéressants. Nous avons montré qu’avec cet ingrédient spécial de l’arrangement atomique qui peut piéger les électrons, nous trouvons toujours ces bandes plates. Il ne s’agit pas d’un coup de chance. À partir de là, le défi consiste à optimiser les matériaux à bandes plates afin d’obtenir les résultats escomptés et de maintenir la supraconductivité à des températures plus élevées.
L’étude publiée dans Nature : Three-dimensional flat bands in pyrochlore metal CaNi2 et présentée sur le site du Massachusetts Institute of Technology : Physicists trap electrons in a 3D crystal for the first time.