Une percée scientifique majeure permet désormais d’examiner l’univers mystérieux des électrons comme jamais auparavant. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont développé une technique révolutionnaire utilisant des matériaux moirés pour créer des réseaux cristallins artificiels. Cette avancée pourrait-elle enfin nous aider à comprendre les phénomènes complexes comme la supraconductivité ?
L’observation des interactions entre électrons représente l’un des défis les plus importants de la physique moderne. Ces interactions, bien que fondamentales pour comprendre des phénomènes comme la supraconductivité, restent difficiles à étudier en raison de leur faible intensité dans la plupart des matériaux. Une équipe dirigée par Ataç Imamoğlu à l’Institut pour l’Électronique Quantique de l’ETH Zurich vient de bouleverser ce domaine avec une approche novatrice utilisant le phénomène de moiré quantique pour amplifier et isoler ces interactions électroniques. Leurs travaux ont été publiés dans Physical Review.
Le défi des interactions électroniques et l’innovation du moiré
Les électrons constituent les briques fondamentales des phénomènes électriques dans tous les matériaux. Leur comportement collectif peut engendrer des propriétés extraordinaires comme la supraconductivité, où l’électricité circule sans résistancerésistance. Comprendre ces interactions représente toutefois un défi considérable pour les physiciensphysiciens.
Les matériaux moirés traditionnels sont créés en superposant deux couches atomiques ultrafines légèrement décalées l’une par rapport à l’autre. Cette configuration génère un motif d’interférence appelé effet moiré, similaire au phénomène visuel qu’on observe en superposant deux grilles à motifs répétitifs.
L’innovation de l’équipe suisse réside dans une utilisation inédite de ce principe. Natasha Kiper, doctorante dans le groupe d’Imamoğlu, explique : « Nous produisons également un matériau moiré, mais nous l’utilisons d’une manière complètement différente ». Leur approche consiste à utiliser le matériau moiré non comme support direct des électrons à étudier, mais comme générateurgénérateur d’un champ électrique périodique qui agit à distance sur une couche semi-conductrice distincte.
Méthode révolutionnaire pour amplifier les comportements quantiques
La technique développée repose sur plusieurs principes ingénieux :
- Création d’un réseau cristallinréseau cristallin artificiel à grand paramètre de maille.
- Réduction de l’énergie cinétiqueénergie cinétique des électrons pour mettre en évidence leurs interactions.
- SéparationSéparation du champ électriquechamp électrique périodique et du matériau où se trouvent les électrons étudiés.
- Utilisation d‘excitons comme sondes pour observer indirectement le comportement électronique.
Le dispositif expérimental combine deux couches de nitrure de borenitrure de bore hexagonal (un matériau presque aussi dur que le diamantdiamant) orientées avec un angle de moins de 2 degrés l’une par rapport à l’autre. Sous ces couches, les chercheurs placent une couche atomique de diséléniure de molybdènemolybdène, un semi-conducteursemi-conducteur. Le champ électrique périodique généré par l’effet moiré agit sur les électrons du semiconducteur, créant un réseau cristallin artificiel avec un paramètre de maille beaucoup plus grand que dans les matériaux naturels.
L’avantage décisif de cette configuration est que le champ électrique n’affecte que les électrons chargés, mais pas les excitonsexcitons neutres. Ces derniers, formés lorsqu’un électron excité par la lumièrelumière laisse un « trou » positif derrière lui, servent de sondes pour observer indirectement le comportement des électrons.
Applications futures et phénomènes exotiques
Cette nouvelle méthode ouvre des horizons fascinants pour la physique quantiquephysique quantique. En variant le nombre d’électrons dans le semi-conducteur via une tension électrique, les chercheurs ont déjà observé des phénomènes remarquables : quand un tiers ou deux tiers des sites du réseau sont occupés par des électrons, ceux-ci s’organisent en motifs réguliers.
Les implications sont considérables pour comprendre la transition de certains isolants vers l’état supraconducteursupraconducteur. « Notre nouvelle méthode est passionnante également parce qu’elle est hautement contrôlable et peut, en principe, être appliquée à de nombreux autres matériaux », affirme Imamoğlu.
Les perspectives futures incluent l’étude de processus où les électrons se déplacent entre différentes couches, acquérant ainsi un « pseudo-spinspin » en plus de leur spin intrinsèque. Ce domaine pourrait mener à l’observation expérimentale de phénomènes quantiques exotiquesexotiques jamais observés auparavant, comme les « liquidesliquides de spin chiraux ».
Cette avancée représente une nouvelle ère dans l’étude des interactions électroniques, offrant enfin aux physiciens les outils nécessaires pour élucider des mystères fondamentaux de la matièrematière condensée.
