Dans une découverte surprenante, Les physiciens de Princeton ont observé un comportement quantique inattendu dans un isolant fabriqué à partir d'un matériau appelé ditellurure de tungstène. Ce phénomène, connu sous le nom d'oscillation quantique, est généralement observé dans les métaux plutôt que dans les isolants, et sa découverte offre de nouvelles perspectives sur notre compréhension du monde quantique. Les résultats suggèrent également l'existence d'un tout nouveau type de particule quantique.

La découverte remet en cause une distinction de longue date entre les métaux et les isolants, parce que dans la théorie quantique établie des matériaux, les isolants n'étaient pas censés être capables de subir des oscillations quantiques.

« Si nos interprétations sont correctes, nous voyons une forme fondamentalement nouvelle de matière quantique, " dit Sanfeng Wu, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton et auteur principal d'un article récent dans La nature détaillant cette nouvelle découverte. "Nous imaginons maintenant un tout nouveau monde quantique caché dans des isolants. Il est possible que nous ayons simplement manqué de les identifier au cours des dernières décennies."

L'observation des oscillations quantiques a longtemps été considérée comme une caractéristique de la différence entre les métaux et les isolants. Dans les métaux, les électrons sont très mobiles, et la résistivité - la résistance à la conduction électrique - est faible. Il y a près d'un siècle, les chercheurs ont observé qu'un champ magnétique, couplée à des températures très basses, peut faire passer les électrons d'un état "classique" à un état quantique, provoquant des oscillations dans la résistivité du métal. Dans les isolants, par contre, les électrons ne peuvent pas bouger et les matériaux ont une résistivité très élevée, donc on ne s'attend pas à ce que des oscillations quantiques de ce genre se produisent, quelle que soit la force du champ magnétique appliqué.

La découverte a été faite lorsque les chercheurs étudiaient un matériau appelé ditellurure de tungstène, qu'ils ont transformé en un matériau bidimensionnel. Ils ont préparé le matériel en utilisant du scotch standard pour exfolier de plus en plus, ou "se raser, " les couches jusqu'à ce qu'on appelle une monocouche - une seule couche mince d'un atome. Le ditellurure de tungstène épais se comporte comme un métal. Mais une fois converti en une monocouche, il devient un isolant très puissant.

"Ce matériau a beaucoup de propriétés quantiques spéciales, " a déclaré Wu.

Les chercheurs ont ensuite entrepris de mesurer la résistivité du ditellurure de tungstène monocouche sous champs magnétiques. A leur grande surprise, la résistivité de l'isolant, bien qu'il soit assez grand, a commencé à osciller à mesure que le champ magnétique augmentait, indiquant le passage à un état quantique. En effet, le matériau, un isolant très résistant, présentait la propriété quantique la plus remarquable d'un métal.

« Cela a été une surprise totale, " Wu a dit. " Nous nous sommes demandé, 'Que se passe t-il ici?' Nous ne le comprenons pas encore complètement."

Wu a noté qu'il n'y a pas de théories actuelles pour expliquer ce phénomène.

Néanmoins, Wu et ses collègues ont avancé une hypothèse provocatrice – une forme de matière quantique à charge neutre. « En raison des interactions très fortes, les électrons s'organisent pour produire ce nouveau type de matière quantique, " a déclaré Wu.

Mais ce ne sont finalement plus les électrons qui oscillent, dit Wu. Au lieu, les chercheurs pensent que de nouvelles particules, qu'ils ont surnommé "fermions neutres, " sont nés de ces électrons en interaction forte et sont responsables de la création de cet effet quantique très remarquable.

Les fermions sont une catégorie de particules quantiques qui incluent des électrons. Dans les matériaux quantiques, les fermions chargés peuvent être des électrons chargés négativement ou des "trous" chargés positivement qui sont responsables de la conduction électrique. À savoir, si le matériau est un isolant électrique, ces fermions chargés ne peuvent pas se déplacer librement. Cependant, particules neutres, c'est-à-dire ni négativement ni positivement chargées - sont théoriquement possibles d'être présents et mobiles dans un isolant.

"Nos résultats expérimentaux sont en conflit avec toutes les théories existantes basées sur des fermions chargés, " a déclaré Pengjie Wang, co-premier auteur de l'article et associé de recherche postdoctoral, "mais pourrait s'expliquer en présence de fermions à charge neutre."

L'équipe de Princeton prévoit d'approfondir ses recherches sur les propriétés quantiques du ditellurure de tungstène. Ils sont particulièrement intéressés à découvrir si leur hypothèse - sur l'existence d'une nouvelle particule quantique - est valide.

"Ce n'est que le point de départ, " dit Wu. " Si nous avons raison, les futurs chercheurs trouveront d'autres isolants dotés de cette surprenante propriété quantique."

Malgré la nouveauté de la recherche et l'interprétation provisoire des résultats, Wu a spéculé sur la façon dont ce phénomène pourrait être mis en pratique.

"Il est possible que des fermions neutres puissent être utilisés à l'avenir pour coder des informations qui seraient utiles en informatique quantique, " dit-il. " En attendant, bien que, nous en sommes encore aux tout premiers stades de la compréhension de phénomènes quantiques comme celui-ci, il faut donc faire des découvertes fondamentales."