Dans un potentiel périodique unidimensionnel, représenté par les dents et les encoches d'une barre de Toblerone, il n'y a pas de libre circulation des électrons si exactement deux d'entre eux (représentés ici comme des paires d'ours gommeux) occupent chaque encoche, en raison du principe d'exclusion de Pauli. Étonnamment, un comportement isolant similaire peut être observé avec des atomes fermioniques ultrafroids qui s'attirent fortement, formant ainsi un liquide dit de Luther-Emery. Crédit :Groupe Esslinger/ETH Zurich
Le comportement des électrons dans un matériau est généralement difficile à prévoir. De nouvelles informations proviennent désormais d'expériences et de simulations réalisées par une équipe dirigée par des physiciens de l'ETH qui ont étudié les propriétés de transport électronique dans un fil quantique unidimensionnel contenant un réseau mésoscopique.
Qu'il s'agisse d'un matériau, par exemple, un métal ou un isolant dépend d'une gamme de détails microscopiques, y compris la force des interactions entre les électrons, la présence d'impuretés et le nombre de dimensions à travers lesquelles les porteurs de charge peuvent se propager. Cette complexité rend la prédiction des propriétés électroniques dans les systèmes à semi-conducteurs très difficile. Comprendre le comportement des électrons dans un matériau devient d'autant plus difficile lorsqu'ils traversent un potentiel périodique, par exemple dans un cristal. Puis des phénomènes tels que la superfluidité, qui est associé à une grande conductance, peut rivaliser avec les effets d'interférence qui transforment le matériau en isolant.
Martin Lebrat, avec des collègues du groupe de Tilman Esslinger à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich et des collaborateurs de l'Université de Genève et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont maintenant abordé le problème en réalisant des expériences dans un matériau artificiel parfaitement propre qui ils peuvent contrôler avec une grande précision et flexibilité. Comme ils le rapportent dans un article publié dans Examen physique X , ils ont utilisé la lumière laser pour créer de courtes structures en réseau unidimensionnel reliées à deux réservoirs d'atomes de lithium-6 ultrafroids. Dans cette configuration, ils peuvent mesurer la conductance du fil tout en ayant un contrôle exquis sur tous les paramètres pertinents, y compris la longueur et la hauteur du réseau et les interactions entre les particules transportées à travers celui-ci.
Dans leurs expériences, ils ont observé l'émergence d'une phase d'isolation de bande avec des interactions faibles. Lorsqu'ils ont réglé les interactions de faiblement à fortement attractives, ils ont découvert que cet état isolant persiste, faisant allusion à la présence d'un liquide dit de Luther-Emery, une phase originale qui a été prédite en 1974 et qui se distingue par le caractère unidimensionnel de la structure.
Les atomes sont façonnés en un fil à l'aide de la lumière laser. Leur flux peut être influencé par la projection d'un nombre variable d'obstacles lumineux focalisés sur le fil avec un objectif de microscope. Crédit :Groupe Esslinger/ETH Zurich
Le travail expérimental est soutenu par des simulations, et pris ensemble, ces résultats démontrent le contrôle simultané des interactions et des interférences quantiques dans les dispositifs à atomes froids. Cela ne devrait pas seulement être intéressant en vue d'explorer le comportement des électrons se déplaçant à travers les matériaux; la flexibilité offerte par l'approche de Lebrat et de ses collaborateurs signifie également qu'ils peuvent concevoir des structures complexes avec de nouvelles fonctionnalités qui ne sont pas disponibles dans les systèmes électroniques.
