Une collaboration internationale impliquant des européens, Israélien, et des scientifiques américains réalisent pour la première fois des interactions fortes et dépendantes de la direction dans les liquides quantiques d'excitons, ce qui contraste avec l'isotropie spatiale du couplage entre particules chargées. Cette anisotropie spatiale affecte la façon dont les particules s'organisent dans l'espace et ouvre des voies vers des états exotiques de la matière créés artificiellement. Les résultats ont été publiés dans Examen physique X .

"Les oiseaux d'une plume se rassemblent" :ce vieux proverbe peut s'appliquer à plusieurs circonstances de la vie mais il ne s'applique certainement pas aux charges électriques :les charges de même polarité se repoussent toujours, tandis que seules les charges de polarité opposée s'attirent. Une conséquence de l'attraction entre des charges dissemblables est la formation d'excitons (paires électron-trou) dans les semi-conducteurs. De telles paires d'électrons chargés négativement et de trous chargés positivement peuvent être créées via l'absorption de quanta de lumière (photons). Les excitons sont des quasi-particules qui résultent de la liaison d'un électron et d'un trou par l'interaction de coulomb électrostatique attractive entre eux. Les excitons sont mobiles mais pas stables car les électrons et les trous peuvent se recombiner rapidement conduisant à l'émission d'un photon. Les excitons de longue durée peuvent, cependant, être créé dans des bicouches semi-conductrices spéciales constituées de deux puits quantiques rapprochés séparés par une mince barrière de potentiel (voir la figure). Si une tension de polarisation est appliquée à la structure, les électrons et les trous qui forment l'exciton seront stockés dans des puits quantiques séparés :cette séparation de charges augmente considérablement la durée de vie de la recombinaison. Ces excitons de longue durée acquièrent un moment dipolaire p et sont donc appelés excitons dipolaires (ou indirects).

Les excitons ainsi que les excitons dipolaires sont des particules neutres à l'extérieur et la question se pose de savoir comment les excitons dipolaires interagissent les uns avec les autres. La réponse peut être trouvée en les considérant comme des dipôles alignés. Contrairement à l'interaction de Coulomb électrostatique entre deux charges, qui ne dépend que de la distance qui les sépare, l'interaction entre deux dipôles dépend à la fois de l'orientation relative entre leurs dipôles et du vecteur les reliant. Pour les dipôles alignés comme les excitons dipolaires de la figure, l'interaction passe de répulsive à attractive à mesure que l'angle entre elles augmente de 0 à 90 degrés.

Les expériences sur les excitons dipolaires réalisées jusqu'à présent utilisaient des excitons dans une seule bicouche, où l'on ne peut sonder que la composante répulsive de l'interaction dipolaire. Désormais une équipe internationale de chercheurs du Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik à Berlin, l'Université hébraïque de Jérusalem, l'Institute of Science and Technology Austria et l'Université de Princeton ont trouvé un moyen astucieux de surmonter les défis en empilant deux couches dipolaires, comme illustré sur la figure :de cette façon, ils ont pu démontrer pour la première fois la composante dipôle-dipôle attractive du couplage entre les particules, avec des résultats surprenants. Ils montrent que la présence d'excitons dipolaires dans l'une des bicouches induit une accumulation d'excitons dipolaires dans la seconde bicouche. Ce dernier prouve que dans des conditions appropriées, le vieux proverbe s'applique également aux excitons dipolaires.

Récemment, les gaz et liquides quantiques dipolaires ont beaucoup attiré l'attention, car ils hébergent une pléthore de phénomènes exotiques à nombreuses particules provenant du caractère à longue distance et anisotrope des interactions dipôle-dipôle. Les phases dipolaires de la matière ont jusqu'à présent été principalement étudiées dans le contexte des gaz ultrafroids de molécules polaires et d'atomes magnétiques :un bon exemple est la supersolidité récemment observée, des cristaux où les atomes s'écoulent sans frottement. De tels ensembles à faible densité, cependant, rendent difficile la réalisation du régime d'interactions interparticulaires fortes, où se déroule la majeure partie de la physique exotique.

Le fort couplage attractif inter-bicouche attractif tel que démontré maintenant par Hubert et al. rend possible l'étude de ces phénomènes dans un système à l'état solide de fluides dipolaires. En particulier, il peut sonder les densités dipolaires et les forces d'interaction actuellement indisponibles dans les réalisations atomiques, qui devrait révéler de nouveaux effets et phases collectifs. Un exemple est la traînée mutuelle et les énergies de liaison plus importantes que prévu entre les particules dipolaires détectées dans les expériences sur les excitons. Cet effet surprenant est attribué à l'apparition d'ondes électro-acoustiques ou polarons dans les deux fluides, médiée par les interactions dipôle-dipôle à distance. Au fur et à mesure que la densité du fluide augmente, l'énergie du polaron change de manière significative, représentant éventuellement la limite de phase entre les états gazeux et liquide. Ce phénomène frappant est une bonne motivation pour de futures expériences tentant de réaliser les phases exotiques à plusieurs corps avec des interactions anisotropes de systèmes quantiques fortement corrélés.