Les électrons d'un solide peuvent s'associer pour former des quasi-particules, qui conduisent à de nouveaux phénomènes. Les physiciens de l'ETH de Zurich ont maintenant étudié des quasi-particules non identifiées auparavant dans une nouvelle classe de semi-conducteurs atomiquement minces. Les chercheurs utilisent leurs résultats pour corriger une interprétation erronée qui prévaut.

Si l'on essaie de comprendre les phénomènes météorologiques, il n'est pas très utile d'examiner le comportement de gouttelettes d'eau ou de molécules d'air isolées. Au lieu, les météorologues (et aussi les profanes) parlent de nuages, vents et précipitations - objets qui résultent de l'interaction complexe entre les petites particules. Les physiciens traitant des propriétés optiques ou de la conductivité des solides utilisent à peu près la même approche. De nouveau, de minuscules particules - électrons et atomes - sont responsables d'une multitude de phénomènes, mais une image éclairante n'émerge que lorsque beaucoup d'entre elles sont regroupées en "quasiparticles".

Cependant, découvrir précisément quelles quasi-particules apparaissent à l'intérieur d'un matériau et comment elles s'influencent les unes les autres n'est pas une tâche simple, mais plus proche d'un grand puzzle dont les pièces s'emboîtent, petit à petit, par des recherches ardues. Dans une combinaison d'études expérimentales et théoriques, Ataç Imamoglu et ses collaborateurs de l'Institut d'électronique quantique de l'EPF de Zurich ont maintenant réussi à trouver une nouvelle pièce du puzzle, ce qui aide également à remettre une pièce précédemment égarée dans sa position correcte.

Excitons et polarons

Dans les solides, des quasiparticules peuvent être créées, par exemple, lorsqu'un photon est absorbé. L'énergie en mouvement des électrons grouillant dans un solide ne peut prendre des valeurs que dans des plages bien définies appelées bandes. Un photon peut faire passer un électron d'une bande d'énergie basse à une bande d'énergie haute, laissant ainsi un "trou" dans la bande inférieure.

L'électron excité et le trou résultant s'attirent par la force électrostatique de Coulomb, et si cette attraction est assez forte, la paire électron-trou peut être considérée comme une quasiparticule - un "exciton" est né. Deux électrons et un trou peuvent se lier pour former un trion. Cependant, lorsque des excitons et un grand nombre d'électrons libres sont présents simultanément, la description des propriétés qualitativement nouvelles - ou " émergentes " - du matériau nécessite l'introduction d'un nouveau type de quasiparticules appelées polarons de Fermi.

Quasiparticules dans un semi-conducteur

Imamoglu et ses collègues voulaient découvrir la nature des quasi-particules qui apparaissent dans un certain type de semi-conducteurs dans lesquels les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions. Faire cela, ils ont pris une seule couche de diséléniure de molybdène qui est mille fois plus mince qu'un micromètre et l'ont prise en sandwich entre deux disques de nitrure de bore. Ils ont ensuite ajouté une couche de graphène afin d'appliquer une tension électrique avec laquelle la densité d'électrons dans le matériau pourrait être contrôlée. Finalement, tout était placé entre deux miroirs qui formaient une cavité optique.

Grâce à ce dispositif expérimental complexe, les physiciens de Zurich pouvaient désormais étudier en détail la force avec laquelle le matériau absorbe la lumière dans différentes conditions. Ils ont découvert que lorsque la structure semi-conductrice est excitée optiquement, Des fermi-polarons se forment - et non, comme on le pensait auparavant, excitons ou trions. "Jusque là, chercheurs - moi y compris - ont mal interprété les données disponibles à l'époque à cet égard", admet Imamoglu. "Avec nos nouvelles expériences, nous sommes maintenant en mesure de rectifier cette image."

Travail d'équipe avec un scientifique invité

"C'était un travail d'équipe avec des contributions essentielles du professeur de Harvard Eugene Demler, qui a collaboré avec nous pendant plusieurs mois lorsqu'il était boursier ITS", explique Meinrad Sidler, doctorant au sein du groupe Imamoglus. Depuis 2013, l'Institut d'études théoriques (ITS) de l'ETH s'attache à favoriser la recherche interdisciplinaire à l'intersection entre mathématiques, physique théorique et informatique. En particulier, il veut faciliter la recherche motivée par la curiosité dans le but de trouver les meilleures idées dans des endroits inattendus.

L'étude d'Imamoglu et de ses collègues, maintenant publié dans Physique de la nature , est un bon exemple de la façon dont ce principe peut réussir. Dans ses propres recherches, Eugene Demler traite des atomes ultrafroids, étudier le comportement de mélanges d'atomes bosoniques et fermioniques. "Son aperçu des polarons dans les gaz et les solides atomiques a donné à nos recherches des impulsions importantes et intéressantes, que nous n'avons peut-être pas inventés nous-mêmes", dit Imamoglu.

Supraconductivité induite par la lumière

Les informations qu'ils ont recueillies occuperont très probablement Imamoglu et ses collaborateurs pendant un certain temps encore, comme les interactions entre les particules bosoniques (comme les excitons) et fermioniques (les électrons) font l'objet d'un grand projet de recherche pour lequel Imamoglu a remporté l'année dernière une subvention avancée du Conseil européen de la recherche (ERC), et est également soutenu par le National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT). Une meilleure compréhension de ces mélanges aurait des implications importantes pour la recherche fondamentale, mais des applications passionnantes vous attendent également. Par exemple, un objectif clé du projet ERC est la démonstration du contrôle de la supraconductivité à l'aide de lasers.