Excitonium a une équipe de chercheurs à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign... eh bien... excité ! Professeur de physique Peter Abbamonte et étudiants diplômés Anshul Kogar et Mindy Rak, avec la contribution de collègues de l'Illinois, Université de Californie, Berkeley, et Université d'Amsterdam, ont prouvé l'existence de cette nouvelle forme de matière énigmatique, qui a rendu perplexes les scientifiques depuis qu'il a été théorisé pour la première fois il y a près de 50 ans.

L'équipe a étudié des cristaux non dopés du dichalcogénure de titane diséléniure de métal de transition souvent analysé (1T-TiSe 2 ) et ont reproduit cinq fois leurs résultats surprenants sur différents cristaux clivés. Le professeur de physique de l'Université d'Amsterdam, Jasper van Wezel, a fourni une interprétation théorique cruciale des résultats expérimentaux.

Alors, qu'est-ce que l'excitonium exactement ?

L'excitonium est un condensat - il présente des phénomènes quantiques macroscopiques, comme un supraconducteur, ou superfluide, ou un cristal électronique isolant. Il est composé d'excitons, particules qui se forment dans un très étrange appariement mécanique quantique, à savoir celui d'un électron échappé et le trou qu'il a laissé derrière lui.

Il défie la raison, mais il s'avère que lorsqu'un électron, assis au bord d'une bande de valence encombrée d'électrons dans un semi-conducteur, s'excite et saute par-dessus l'écart énergétique vers la bande de conduction autrement vide, il laisse un "trou" dans la bande de valence. Ce trou se comporte comme s'il s'agissait d'une particule avec une charge positive, et il attire l'électron échappé. Lorsque l'électron échappé avec sa charge négative, s'apparie avec le trou, les deux forment remarquablement une particule composite, un boson, un exciton.

En fait, les attributs de type particule du trou sont attribuables au comportement collectif de la foule d'électrons environnante. Mais cette compréhension rend l'appariement non moins étrange et merveilleux.

Pourquoi l'excitonium a-t-il mis 50 ans à être découvert dans des matériaux réels ?

Jusqu'à maintenant, les scientifiques n'ont pas eu les outils expérimentaux pour distinguer positivement si ce qui ressemblait à de l'excitonium n'était pas en fait une phase de Peierls. Bien que cela n'ait aucun rapport avec la formation d'excitons, Les phases de Peierls et la condensation d'excitons partagent la même symétrie et des observables similaires :un super-réseau et l'ouverture d'un écart énergétique à particule unique.

Abbamonte et son équipe ont pu surmonter ce défi en utilisant une nouvelle technique qu'ils ont développée appelée spectroscopie de perte d'énergie électronique à résolution de mouvement (M-EELS). M-EELS est plus sensible aux excitations de bande de valence que les techniques de diffusion inélastique des rayons X ou des neutrons. Kogar modernise un spectromètre EEL, qui à lui seul ne pouvait mesurer que la trajectoire d'un électron, donner combien d'énergie et d'élan il a perdu, avec un goniomètre, qui permet à l'équipe de mesurer très précisément la quantité de mouvement d'un électron dans l'espace réel.

Avec leur nouvelle technique, le groupe a pu pour la première fois mesurer les excitations collectives des particules bosoniques de basse énergie, les électrons et trous appariés, quel que soit leur élan. Plus précisement, l'équipe a réalisé la toute première observation dans n'importe quel matériau du précurseur de la condensation d'excitons, une phase de plasmon doux qui a émergé lorsque le matériau s'est approché de sa température critique de 190 Kelvin. Cette phase de plasmon doux est la preuve "fumée" de la condensation d'excitons dans un solide tridimensionnel et la toute première preuve définitive de la découverte de l'excitonium.

"Ce résultat a une signification cosmique, " affirme Abbamonte. " Depuis que le terme " excitonium " a été inventé dans les années 1960 par le physicien théoricien de Harvard Bert Halperin, les physiciens ont cherché à démontrer son existence. Les théoriciens se sont demandé si ce serait un isolant, un parfait chef d'orchestre, ou un superfluide - avec des arguments convaincants de tous les côtés. Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l'existence de l'excitonium, mais leurs découvertes n'étaient pas une preuve définitive et auraient également pu être expliquées par une transition de phase structurelle conventionnelle."

Rak se souvient du moment, travaillant au laboratoire d'Abbamonte, lorsqu'elle a compris pour la première fois l'ampleur de ces découvertes :« Je me souviens qu'Anshul était très enthousiasmé par les résultats de nos premières mesures sur TiSe 2 . Nous étions debout devant un tableau blanc dans le laboratoire alors qu'il m'expliquait que nous venions de mesurer quelque chose que personne n'avait vu auparavant :un plasmon doux."

« L'excitation suscitée par cette découverte nous a accompagnés tout au long du projet, " poursuit-elle. " Le travail que nous avons fait sur TiSe 2 m'a permis de voir la promesse unique de notre technique M-EELS pour faire progresser notre connaissance des propriétés physiques des matériaux et a motivé mes recherches continues sur TiSe 2 ."

Kogar admet, la découverte de l'excitonium n'était pas la motivation initiale de la recherche - l'équipe avait entrepris de tester leur nouvelle méthode M-EELS sur un cristal facilement disponible - cultivé dans l'Illinois par l'ancien étudiant diplômé Young Il Joe, maintenant du NIST. Mais il souligne, pas par hasard, l'excitonium était un intérêt majeur :

"Cette découverte était fortuite. Mais Peter et moi avions eu une conversation il y a environ 5 ou 6 ans abordant exactement ce sujet du mode électronique doux, bien que dans un contexte différent, l'instabilité du cristal de Wigner. Donc, bien que nous n'ayons pas compris immédiatement pourquoi cela se produisait dans TiSe 2 , nous savions qu'il s'agissait d'un résultat important, et qui nous trotte dans la tête depuis quelques années."

Les conclusions de l'équipe sont publiées dans le 8 décembre Numéro 2017 de la revue Science dans l'article, "Signatures de condensation d'excitons dans un dichalcogénure de métal de transition."

Cette recherche fondamentale est très prometteuse pour percer d'autres mystères de la mécanique quantique :après tout, l'étude des phénomènes quantiques macroscopiques est ce qui a façonné notre compréhension de la mécanique quantique. Il pourrait également faire la lumière sur la transition métal-isolant dans les solides de bande, dans lequel on pense que la condensation d'excitons joue un rôle. Au-delà de ça, les applications technologiques possibles de l'excitonium sont purement spéculatives.