Les excitons sont des paires d'électrons et de trous à l'intérieur d'un matériau solide qui se comportent ensemble comme une seule particule. On soupçonne depuis longtemps que lorsque de nombreux excitons de ce type existent dans le même morceau de matière, ils peuvent former un seul état quantique géant appelé condensat de Bose-Einstein - le même processus qui est responsable de la perte de toute résistance électrique d'un métal lorsqu'il devient supraconducteur, par exemple. Cependant, prouver que la condensation d'excitons de Bose-Einstein se produit dans n'importe quel matériau réel est un défi pour les physiciens depuis des décennies. Une expérience réalisée à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, réalisé en collaboration avec le chercheur de l'UvA-Institute of Physics Jasper van Wezel, a découvert des preuves que cet état insaisissable de la matière existe vraiment. Leurs résultats ont été publiés dans Science cette semaine.
Au début du 20e siècle, les physiciens ont découvert que le monde qui nous entoure se compose de deux types de particules :les bosons et les fermions. La principale différence entre ces particules est la façon dont elles se comportent lorsqu'on essaie de les amener dans le même état physique, avec le même poste, la même vitesse, etc. Alors que pour deux fermions (comme les électrons), il est fondamentalement impossible d'être dans le même état exact, deux bosons ou plus (tels que des photons, particules de lumière) peuvent être dans le même état en même temps sans aucun problème. En réalité, à des températures suffisamment basses, les collections de bosons préféreront une telle situation :les particules ont tendance à occuper toutes le même état, dans un processus connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein.
Excitateurs
Pour la plupart des types de bosons, La condensation de Bose-Einstein a lieu à très basse température, près de la température minimale absolue de 273 degrés en dessous de zéro sur l'échelle Celsius. Une exception à cette règle pourrait être le comportement des excitons dans un cristal. Les excitons sont des combinaisons d'électrons chargés négativement et de soi-disant trous - l'absence d'électron quelque part dans le cristal, conduisant à un excédent local de charge positive. Des paires d'électrons et de trous peuvent être liés ensemble et se comporter comme une seule particule bosonique, l'exciton.
Il a été prédit dans les années 1960 que, tout comme les autres bosons, les excitons peuvent former des condensats de Bose-Einstein. De plus, cela devrait se produire à des températures beaucoup plus élevées que pour la plupart des autres particules – en théorie, cela pourrait se produire même à température ambiante. Étant donné que des températures plus élevées sont beaucoup plus faciles à atteindre en laboratoire, les excitons pourraient fournir un cadre accessible dans lequel les propriétés quantiques inhabituelles du Bose-Einstein se condensent, ainsi que les propriétés matérielles uniques qu'ils confèrent à leurs cristaux hôtes, peut faire l'objet d'une enquête.
M-anguilles
Malgré la température relativement élevée à laquelle l'effet décrit dans le Science l'article se produit (seulement 100 degrés centigrades environ en dessous de la température ambiante), et malgré la présence d'excitons suspectée depuis de nombreuses années, prouver hors de tout doute que les excitons forment vraiment un condensat de Bose-Einstein s'est avéré étonnamment difficile. La raison principale est qu'il existe un phénomène physique différent qu'il est difficile de distinguer d'un condensat d'excitons de Bose-Einstein :la formation d'un état dit de Peierls, où les électrons à l'intérieur d'une structure cristalline s'organisent spontanément de manière ondulatoire, avec une alternance de pics et de creux de densité électronique. Une telle onde a bon nombre des mêmes caractéristiques physiques attendues pour un condensat d'excitons de Bose-Einstein.
Une nouvelle expérience réalisée à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Oxford, et l'Université d'Amsterdam, a maintenant montré que la nouvelle technique expérimentale de spectroscopie de perte d'énergie électronique à résolution dynamique (M-EELS en abrégé) leur permet de distinguer des signatures uniques d'excitons condensés dans un matériau appelé diséléniure de titane. Cette technique a été développée à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et permet pour la première fois aux chercheurs de mesurer des particules bosoniques de basse énergie constituées d'électrons et de trous, quel que soit leur élan. Avec cette capacité unique, les chercheurs ont pu prouver que les excitons du diséléniure de titane s'agglomèrent spontanément en un condensat de Bose-Einstein lorsque le matériau est refroidi à moins de 100 degrés centigrades au-dessous de la température ambiante.
Ces mesures donnent pour la première fois des preuves convaincantes du fait que les excitons peuvent former un condensat de Bose-Einstein à des températures relativement élevées, températures facilement accessibles. De plus, ils montrent que M-EELS est une nouvelle technique puissante et polyvalente avec de nombreuses applications futures potentielles. Les résultats ont été publiés dans Science cette semaine.
