Comprendre comment les particules se comportent dans la zone crépusculaire entre le monde macro et quantique nous donne accès à des phénomènes fascinants, intéressants du point de vue de la physique fondamentale et appliquée. Par exemple, les matériaux ultrafins de type graphène sont un terrain de jeu fantastique pour examiner le transport et les interactions des électrons. Récemment, chercheurs du Centre de Physique Théorique des Systèmes Complexes (PCS), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), en collaboration avec le Rzhanov Institute of Semiconductor Physics (Russie) ont rapporté un nouveau phénomène de diffusion des électrons dans les matériaux 2-D. L'article est publié en Lettres d'examen physique .

L'équipe a considéré un échantillon composé de deux sous-systèmes :l'un constitué de particules à spin entier (bosons) et l'autre constitué de particules à spin demi-entier (fermions).

Pour la composante bosonique, ils ont modélisé un gaz d'excitons (paires électron-positon). A basse température, la mécanique quantique peut forcer un grand nombre de particules bosoniques à former un condensat de Bose-Einstein (BEC). Cet état de la matière a été rapporté dans différents matériaux, en particulier, arséniure de gallium (GaAs), et il a été prédit dans le bisulfure de molybdène (MoS 2 ).

Le sous-système fermionique est un gaz d'électrons 2-D (2DEG), où les électrons sont limités à se déplacer dans deux dimensions. Il présente des phénomènes magnétiques et électriques intrigants, y compris la supraconductivité, C'est, le passage du courant sans résistivité. Ces phénomènes sont liés à la diffusion des électrons, ce qui est principalement dû aux impuretés et aux phonons. Ces dernières sont des vibrations du réseau cristallin. Leur nom dérive du grec 'phonos, ' signifiant son, puisque les phonons de grande longueur d'onde donnent naissance au son, mais ils jouent également un rôle dans la conductivité électrique des métaux dépendante de la température.

Les bosons et les fermions sont très différents au niveau quantique, alors que se passe-t-il lorsque nous combinons BEC et 2DEG ? Kristian Villegas, Meng Soleil, Vadim Kovalev, et Ivan Savenko ont modélisé le transport d'électrons dans de tels systèmes hybrides.

Au-delà des phonons et impuretés conventionnels, l'équipe a décrit un mécanisme de diffusion d'électrons non conventionnel dans les systèmes hybrides BEC-2DEG :les interactions d'un électron avec un ou deux quanta de Bogoliubov (ou bogolons) - excitations du BEC avec de petites impulsions. Bien que les phonons et les bogolons partagent certaines caractéristiques communes, l'équipe a constaté qu'ils ont des différences importantes.

Selon les modèles, en MoS de haute qualité 2 à une certaine plage de températures, la résistivité causée par des paires de bogolons s'est avérée dominante sur la résistivité causée par des bogolons simples, phonons acoustiques, bogolons simples, et impuretés. La raison de cette différence est le mécanisme d'interaction entre les électrons et les bogolons, qui est de nature électrique, par opposition à l'interaction électron-phonon décrite par les déformations de l'échantillon.

Cette recherche pourrait être utile pour la conception de nouveaux supraconducteurs à haute température. Un apparent paradoxe lie conductivité et supraconductivité :les mauvais conducteurs sont généralement de bons supraconducteurs. Dans le cas des interactions électron-phonon, certains matériaux présentant une mauvaise conductivité, à cause de la forte diffusion des électrons par les phonons, peuvent devenir de bons supraconducteurs à très basse température. Pour la même raison, métaux nobles, comme l'or, sont de bons conducteurs, mais de mauvais supraconducteurs. Si cela est également vrai pour les interactions électron-bogolon, alors les chercheurs émettent l'hypothèse que la conception d'un mauvais conducteur, avec une résistivité élevée causée par les interactions bogolons électron-2, pourrait conduire à de « bons » supraconducteurs.

« Ce travail ouvre non seulement des perspectives dans la conception de structures hybrides à dissipation contrôlable, il rend compte de la dépendance à la température fondamentalement différente de la diffusion à basse et haute température et met en lumière la supraconductivité à médiation optique contrôlée par condensat, " explique Ivan Savenko, le leader de l'équipe Interaction Lumière-Matière dans les Nanostructures (LUMIN) au PCS.