Pour la première fois, Les physiciens du MIT ont observé un cristal d'électrons hautement ordonné dans un matériau semi-conducteur et documenté sa fusion, un peu comme la glace qui fond dans l'eau. Les observations confirment une transition de phase fondamentale en mécanique quantique qui a été théoriquement proposée il y a plus de 80 ans mais qui n'a pas été documentée expérimentalement jusqu'à présent.

L'équipe, dirigé par le professeur de physique du MIT Raymond Ashoori et son postdoctorant Joonho Jang, utilisé une technique de spectroscopie développée dans le groupe d'Ashoori. La méthode repose sur le "tunneling" d'électrons, " un processus de mécanique quantique qui permet aux chercheurs d'injecter des électrons à des énergies précises dans un système d'intérêt - dans ce cas, un système d'électrons piégés dans deux dimensions. La méthode utilise des centaines de milliers d'impulsions électriques courtes pour sonder une nappe d'électrons dans un matériau semi-conducteur refroidi à des températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu.

Avec leur technique de creusement, les chercheurs ont envoyé des électrons dans le matériau surfondu pour mesurer les états énergétiques des électrons dans la feuille semi-conductrice. Sur un arrière-plan flou, ils ont détecté un pic aigu dans les données. Après de nombreuses analyses, ils ont déterminé que la pointe était le signal précis qui serait émis par un cristal hautement ordonné d'électrons vibrant à l'unisson.

Au fur et à mesure que le groupe augmentait la densité des électrons, essentiellement les emballer dans des quartiers de plus en plus serrés à l'intérieur de la feuille, ils ont trouvé que le pic de données a atteint des énergies plus élevées, puis disparut entièrement, précisément à une densité électronique à laquelle un cristal électronique a été prédit pour fondre.

Les chercheurs pensent avoir enfin capturé le processus de fusion quantique, une transition de phase en mécanique quantique, dans lequel les électrons qui ont formé une structure cristalline uniquement par leurs interactions quantiques se fondent dans un fluide plus désordonné, en réponse aux fluctuations quantiques de leur densité.

"Nous avons vu quelque chose de radicalement nouveau, " dit Ashoori. " Il y a eu beaucoup de gens qui cherchaient depuis longtemps à démontrer une fusion de cristal électronique, et je pense que nous l'avons fait."

Ashoori et Jang ont publié leurs résultats la semaine dernière dans le journal Physique de la nature . Leurs co-auteurs sont l'ancien postdoctorant du MIT Benjamin Hunt, et Loren Pfeiffer et Kenneth West de l'Université de Princeton.

Une idée cristallisante

L'idée d'un cristal d'électrons a été proposée pour la première fois en 1934 par le physicien hongro-américain Eugene Wigner. Normalement, les métaux semi-conducteurs tels que le silicium et l'aluminium sont capables de conduire l'électricité sous forme d'électrons qui ping-pong à la vitesse de l'éclair, créer un courant à travers le matériau.

Cependant, à des températures ultra-froides, les électrons dans ces métaux devraient presque s'arrêter, car il reste très peu de chaleur pour stimuler leurs mouvements. Tous les mouvements que les électrons présentent, alors, devrait être due aux interactions quantiques - les forces invisibles entre les électrons individuels et d'autres quantiques, particules subatomiques.

électrons, étant chargé négativement, se repoussent naturellement. Wigner a proposé que pour les électrons surfondus à faible densité, leurs forces de répulsion mutuelle doivent agir comme une sorte d'échafaud, maintenant les électrons ensemble mais séparés à des intervalles également espacés, créant ainsi un cristal d'électrons. Un tel arrangement rigide, qui a depuis été inventé un cristal Wigner, devrait transformer un métal en isolant plutôt qu'en conducteur électrique.

Par un tunnel quantique

Depuis la proposition de Wigner, d'autres ont essayé d'observer un cristal de Wigner en laboratoire, avec des résultats peu concluants. Pour leur part, Ashoori et Jang n'avaient pas à l'origine l'intention de trouver un cristal Wigner, mais au lieu de cela, ils voulaient simplement sonder une feuille d'électrons en deux dimensions en utilisant leur technique d'effet tunnel.

Au cours de la dernière décennie, le groupe a développé et perfectionné sa technique, qui consiste à projeter des électrons à travers une barrière pour sonder les états énergétiques d'un matériau de l'autre côté. La mécanique quantique dicte qu'il y a une probabilité que n'importe quel objet dans l'univers puisse traverser ou "tunnel" à travers une barrière apparemment impénétrable et sortir de l'autre côté inchangé.

Cette idée est la clé de la technique de tunnellisation des chercheurs, dans lequel ils projettent des électrons à travers une barrière semi-conductrice, à une feuille d'électrons bidimensionnelle sous-jacente. Là, les électrons tunnel peuvent provoquer des vibrations dans les électrons environnants, les énergies dont les chercheurs peuvent mesurer, étant donné les énergies connues des électrons à effet tunnel.

Une "découverte fortuite"

Dans leurs expériences, l'équipe a sondé une feuille semi-conductrice d'arséniure de gallium sous une barrière d'arséniure de gallium et d'aluminium. Les chercheurs ont refroidi l'ensemble de l'échantillon jusqu'à une fraction au-dessus du zéro absolu et ont appliqué des impulsions d'électrons à différentes énergies, puis analysé les données obtenues.

Lorsque Jang a remarqué le pic très pointu dans les données, il a parcouru la littérature théorique précédente pour expliquer la caractéristique et est finalement arrivé à la conclusion que la pointe, étant donné la température et la densité électronique auxquelles il s'est formé, ne pouvait être qu'une signature pour un cristal d'électrons vibrant à l'unisson.

"Beaucoup de prédictions théoriques correspondaient à nos observations, pour que, nous pensions, était un pistolet fumant, " dit Jang. "Nous avons observé la sonnerie d'un cristal d'électrons."

Les chercheurs sont allés plus loin pour voir ce qui se passerait s'ils modifiaient la densité des électrons dans la feuille bidimensionnelle. Au fur et à mesure que la densité augmentait, les énergies vibrationnelles du cristal d'électrons ont fait de même, finir par culminer, puis disparaissant au point exact auquel les théories ont prédit qu'un cristal devrait fondre. Le cristal d'électrons, les chercheurs ont supposé, doit être devenu si dense que toute la structure s'est effondrée dans un plus désordonné, état fluide.

"Personne n'a jamais regardé ce système avec ce genre de résolution, " dit Ashoori. " C'était totalement une découverte fortuite. "

L'équipe travaille à améliorer encore la résolution de sa technique d'effet tunnel électronique, dans l'espoir de l'utiliser pour discerner les formes spécifiques des cristaux d'électrons.

"Différents cristaux ont différents modes de vibrations, et si nous avions une meilleure résolution, nous pourrions déterminer s'il y a certains pics dans la courbe de vibration qui signifient différents modes, ou des formes, " dit Ashoori. " Il y a des raisons de croire que nous pouvons déterminer cela avec le temps. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.