Le tracé de couleur représente le courant des électrons lorsque le champ magnétique et la fréquence des micro-ondes varient. La ligne blanche met en évidence la forte dépendance du courant à la direction du champ magnétique. Crédit :OIST
Le mouvement de milliers d'électrons est à la base de l'électronique. Encore, omniprésents que soient les électrons, les particularités de leur comportement continuent de dérouter les physiciens. Un phénomène s'est avéré particulièrement déroutant :comment les électrons se déplacent sous l'influence d'ondes électromagnétiques polarisées.
La polarisation se produit lorsque des ondes telles que des ondes électromagnétiques ou lumineuses tournent. Les champs électromagnétiques appelés micro-ondes ont un champ électrique tournant qui tourne dans le sens horaire ou antihoraire, et la plupart des théories prédisent que les micro-ondes affecteront la rotation des électrons. Et encore, des études expérimentales ont montré que les électrons ne semblent pas être affectés par la polarisation des micro-ondes. Ces résultats qui défient la théorie ont longtemps laissé les physiciens perplexes.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) pourrait expliquer cette disparité. Dans le travail, les chercheurs de l'OIST ont mesuré le courant électrique à travers un plan bidimensionnel. En changeant la polarisation des micro-ondes, les chercheurs ont pu montrer que la polarisation affecte effectivement le mouvement des électrons. Leurs conclusions ont été publiées dans Lettres d'examen physique .
"Il est naturel de s'attendre à ce que l'effet soit le plus fort lorsque les électrons et les champs de micro-ondes tournent dans la même direction, et sera fortement réduite lorsque les sens de leur rotation seront opposés, " a déclaré Denis Konstantinov, auteur principal de cet article et chef de l'unité de dynamique quantique de l'OIST. C'est en effet ce que Konstantinov et son équipe ont trouvé.
Représentation schématique de l'expérience. Un champ micro-ondes tournant (E) est envoyé à travers une couche circulaire d'électrons tandis que leur courant électrique (I) est mesuré en appliquant une tension (V). Crédit :OIST
L'équipe de l'OIST a collaboré à l'étude avec des chercheurs de l'Institut de physique et d'ingénierie des basses températures en Ukraine. Alors qu'un collègue en Ukraine a développé un cadre mathématique pour tester les principales théories dans le cadre des chercheurs, les scientifiques de l'OIST les ont testés expérimentalement.
Dans les expériences précédentes, le mouvement des électrons a été étudié dans des matériaux à l'état solide tels que les semi-conducteurs. Mais ces matériaux contiennent des impuretés impossibles à éliminer et qui peuvent interférer avec les résultats. Les chercheurs ont donc créé un système qui imite étroitement la fonction d'un semi-conducteur en utilisant de l'hélium liquide. Il se compose d'électrons à la surface de l'hélium liquide enfermés dans une chambre à vide et refroidis à des températures proches du zéro absolu, soit environ -273 degrés Celsius.
"Rien n'est idéal à l'état solide, " a déclaré Konstantinov. "C'est pourquoi notre système est agréable, nous pouvons maintenant éliminer toutes ces impuretés et ces défauts."
L'hélium possède une capacité unique :il reste liquide, même à des températures atteignant le zéro absolu. Pendant ce temps, tout autre composé (impuretés contenues dans l'hélium) gèle, s'accrocher aux parois de son contenant. A si basse température, les électrons à la surface de l'hélium deviennent "quantifiés" - le mouvement des électrons perpendiculaires au liquide est "gelé" dans un espace à deux dimensions, dit Konstantinov.
Chambre à vide conçue sur mesure qui contient des électrons au-dessus de l'hélium condensé. Les micro-ondes sont introduites dans la chambre à travers un guide d'ondes et focalisées sur les électrons par un miroir sphérique. Crédit :OIST
Dans ce système, lorsque les chercheurs ont envoyé des micro-ondes à polarisation circulaire à travers cette couche d'électrons et ont incité les électrons à tourner dans le même sens que la rotation du champ micro-ondes, le courant mesuré des électrons a commencé à osciller avec le champ magnétique appliqué. Quand ils ont inversé la rotation des électrons en changeant la direction du champ magnétique, l'oscillation s'est considérablement affaiblie. Les chercheurs ont observé le même comportement en inversant le sens de rotation du champ micro-ondes tout en maintenant la rotation des électrons inchangée.
Cela signifie que les électrons sont en effet affectés par la polarisation de ces ondes électromagnétiques. Toujours, il reste encore du travail à faire pour comprendre pourquoi exactement ces particules se comportent comme elles le font, dit Oleksiy Zadorozhko, premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral à l'OIST.
"Pour le moment, nous ne pouvons pas encore indiquer laquelle des nombreuses théories est la principale, " a-t-il dit. " Notre prochaine étape est une étude plus détaillée de cela. "
