En physique, il existe des types de particules très différents :Les particules élémentaires sont les éléments constitutifs fondamentaux de la matière. D'autres particules, comme les atomes, sont des états liés constitués de plusieurs constituants plus petits. Et puis il y a ce qu'on appelle des "quasi-particules" - des excitations dans un système qui se compose de nombreuses particules, qui à bien des égards se comportent comme une particule eux-mêmes.

Une telle quasiparticule a maintenant été découverte dans des simulations informatiques à TU Wien (Vienne) et nommée pi-ton. Il se compose de deux électrons et de deux trous. La nouvelle particule est présentée dans la revue Lettres d'examen physique , l'article décrit également comment le pi-ton peut être détecté expérimentalement.

Un trou est presque une particule

"La quasi-particule la plus simple est un trou, " explique le professeur Karsten Held de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " Imaginons, par exemple, que de nombreux atomes sont disposés selon un motif régulier dans un cristal et qu'il y a un électron en mouvement à chaque atome. L'électron n'est manquant qu'à un seul atome - c'est ce qu'on appelle un trou. » Maintenant, un électron peut remonter de l'atome voisin. un nouveau trou s'ouvre.

Au lieu de décrire le mouvement d'électrons en mouvement constant, il est plus facile d'étudier le mouvement du trou. Si les électrons se déplacent vers la droite, le trou se déplace vers la gauche et ce mouvement suit certaines règles physiques, tout comme le mouvement d'une particule ordinaire. Cependant, contrairement à un électron, qui peut également être observé à l'extérieur du cristal, le trou n'existe qu'en conjonction avec les autres particules. Dans ce cas, on parle de "quasi-particule".

"Toutefois, la ligne de démarcation entre particules et quasi-particules n'est pas aussi claire qu'on pourrait le penser, " dit Karsten Held. " A proprement parler, même les particules ordinaires ne peuvent être comprises que dans le contexte de leur environnement. Même dans le vide, des excitations particule-trou se produisent constamment, bien que pour un temps très court. Sans eux, la masse d'un électron par exemple serait complètement différente. Dans ce sens, même dans des expériences avec des électrons ordinaires, ce que nous voyons est vraiment un électron de quasi-particule."

Obligations plus compliquées

Mais il existe aussi des quasi-particules plus complexes :L'exciton, par exemple, qui joue un rôle important dans la physique des semi-conducteurs. C'est un état lié composé d'un électron et d'un trou, qui est créé par la lumière. L'électron est chargé négativement, le trou est l'absence de charge négative - et donc chargée positivement. Les deux s'attirent et peuvent former un lien.

"Nous voulions en fait étudier de tels excitons, " rapportent le Dr Anna Kauch et le Dr Petra Pudleiner, les premiers auteurs de l'article. "Nous avons développé des simulations informatiques pour calculer les effets physiques quantiques dans les solides." Mais bientôt Anna Kauch, Petra Pudleiner et leur collègue Katharina Astleithner se sont rendu compte qu'elles étaient tombées sur quelque chose de totalement différent dans leurs calculs :un tout nouveau type de quasi-particule. Il se compose de deux électrons et de deux trous qui se couplent au monde extérieur via des photons.

L'équipe a donné à cet objet jusqu'alors inconnu le nom de pi-ton. un point du réseau du cristal à l'autre, c'est-à-dire par un angle de pi, mesuré en radians, " explique Anna Kauch. " Ce passage constant du plus au moins s'imagine peut-être comme un passage du noir au blanc sur un échiquier, " dit Petra Pudleiner. Le pi-ton est créé spontanément en absorbant un photon. Quand il disparaît, un photon est à nouveau émis.

La particule qui sort de l'ordinateur

Jusque là, le pi-ton a été découvert et vérifié par des simulations informatiques. Pour l'équipe de recherche, il n'y a aucun doute sur l'existence du pi-ton :"Nous avons maintenant étudié le phénomène du pi-ton à l'aide de divers modèles - il apparaît encore et encore. Par conséquent, il devrait certainement être détectable dans une variété de matériaux différents. ", Karsten Held en est convaincu. "Certaines données expérimentales obtenues avec le matériau titanate de samarium semblent déjà pointer vers le pi-ton. Des expériences supplémentaires avec des photons et des neutrons devraient bientôt apporter de la clarté."

Même si nous sommes constamment entourés d'innombrables quasi-particules, la découverte d'une nouvelle espèce de quasi-particules est quelque chose de très spécial. Outre l'exciton, il y a maintenant aussi le pi-ton. Dans tous les cas, cela contribue à une meilleure compréhension du couplage entre la lumière et les solides, un sujet qui joue un rôle important non seulement dans la recherche fondamentale mais aussi dans de nombreuses applications techniques, de la technologie des semi-conducteurs au photovoltaïque.