Des physiciens de l'Université d'Utrecht ont créé un « simulateur quantique, ' un système modèle pour étudier les pronostics théoriques pour une toute nouvelle classe de matériaux. Ces « supermatériaux » comprennent le graphène, qui a une structure bidimensionnelle et des caractéristiques uniques. Les expériences menées à Utrecht confirment non seulement les prédictions des physiciens théoriciens, mais a également fourni de nouvelles perspectives. Ils ont découvert qu'à des niveaux d'énergie plus élevés, un simple treillis rectangulaire a des caractéristiques qui ne sont normalement observées que dans des matériaux exotiques. Les résultats de leurs recherches sont publiés dans Physique de la nature du 24 avril 2017.

Les caractéristiques d'un matériau sont déterminées par les atomes qui le composent, et comment ils sont organisés. Les calculs effectués par les physiciens théoriciens montrent que dans certaines structures bidimensionnelles, les atomes peuvent être organisés de telle manière qu'un large éventail de super-caractéristiques puisse être atteint. Jusqu'à maintenant, cette recherche s'est limitée à des prédictions théoriques - bon nombre des réseaux que les physiciens ont imaginés n'existaient tout simplement pas dans la nature, ils n'ont pas non plus été produits en laboratoire. Cependant, en utilisant la méthode développée par les physiciens d'Utrecht, ces résultats peuvent maintenant être testés expérimentalement.

Cristal bidimensionnel d'électrons

"L'idée de base est que nous pouvons faire un cristal bidimensionnel d'électrons sous n'importe quelle forme que nous voulons, " explique le responsable de la recherche Ingmar Swart. " Cela nous permet de déterminer avec précision les caractéristiques du cristal, ce qui nous permet de mener des expériences sur de nombreuses idées avancées par nos collègues théoriciens. »

Swart et son équipe ont créé un tel réseau de quelques dizaines de nanomètres de large sur un cristal de cuivre. La surface du cristal contient un grand nombre d'électrons, qui sont forcés dans certaines positions sur la surface en construisant un réseau de molécules de monoxyde de carbone avec une précision atomique. "La façon dont nous faisons cela peut être comparée à un doigt poussant un bonbon à la menthe poivrée d'avant en arrière sur une table. Mais dans ce cas, le doigt est une aiguille dont la pointe n'est pas plus grosse qu'un seul atome, " explique Swart.

Les résultats obtenus jusqu'à présent montrent que les prédictions théoriques sont assez précises. Cependant, les expériences ont également dévoilé un phénomène que les physiciens théoriciens n'avaient pas encore envisagé, et qui peuvent présenter de nouvelles applications.

À des niveaux d'énergie plus élevés, une simple grille rectangulaire semble se transformer en une structure connue sous le nom de « réseau de Lieb ». "Ce réseau de Lieb est le véritable réseau de certains supraconducteurs à haute température. Il est donc vital de comprendre les caractéristiques et le comportement des électrons dans ce réseau, " explique la physicienne théoricienne Pr Cristiane Morais Smith.

Il y a encore un long chemin à parcourir entre ce système modèle et de nouveaux super-matériaux comme le graphène. "Mais notre système est une sorte de 'simulateur quantique, ' que nous pouvons utiliser pour tester de nouvelles idées théoriques avec le degré optimal de flexibilité, " dit Morais Smith.