L'expérience de spectroscopie cohérente THz 2D fonctionne en mélangeant séquentiellement deux impulsions ~ps (E_A et E_B) dans un échantillon. On mesure le signal non linéaire E_NL qui est déterminé en regardant la différence des deux impulsions présentes et de chaque impulsion séparément. Le résultat E_NL est ensuite transformé de Fourier pour obtenir des informations spectroscopiques. On obtient des informations sur l'interaction entre les électrons en analysant l'interaction effective entre les photons THz. Crédit :Mahmood et al.
Pour plusieurs années, la communauté de la physique de la matière condensée a tenté de mieux comprendre les systèmes matériels constitués de particules en interaction forte. De façon intéressante, de nombreux métaux peuvent être décrits comme des systèmes avec des électrons en interaction faiblement efficaces, même si les interactions entre électrons sont généralement assez fortes.
Les électrons ont une charge et lorsqu'ils interagissent avec d'autres électrons, ils s'affectent mutuellement. Néanmoins, pour diverses raisons, dans les métaux, ces interactions modifient simplement des paramètres spécifiques (par exemple, la masse efficace des électrons), mais n'affectent pas la structure sous-jacente du système, qui agit comme s'il contenait encore des électrons libres (c'est-à-dire, électrons qui ne sont pas attachés à des atomes ou à des molécules et peuvent ainsi répondre à des forces extérieures). Cette observation a été théoriquement encadrée dans le contexte de ce que l'on appelle la "théorie liquide de Landau Fermi".
Chercheurs de l'Université de l'Illinois, Université Johns Hopkins, Le CUNY College of Staten Island et l'Université du Colorado Boulder ont récemment utilisé une nouvelle technique qu'ils ont développée pour étudier la possibilité qu'un système électronique fortement désordonné et fortement corrélé et désordonné (c'est-à-dire, silicium dopé au phosphore) pourraient être mappés à un système d'excitations non interactives et localisées. Leurs expériences ont finalement conduit à l'observation d'un phénomène unique qu'ils ont baptisé verre de Fermi marginal.
L'étude de ces chercheurs s'appuie également sur les travaux de Phil Anderson, qui a remporté le prix Nobel en 1977 après avoir montré que les ondes ne pouvaient pas se propager dans des systèmes suffisamment aléatoires. Ce phénomène de vague générique, maintenant connu sous le nom de localisation Anderson, s'applique à de nombreux types d'ondes, y compris acoustique, ondes de matière électromagnétique et neutre.
Autrefois, certains théoriciens ont suggéré que la localisation d'Anderson s'applique également aux ondes électroniques (c'est-à-dire, les ondes au sein desquelles les électrons se propagent, dans le cadre de la mécanique quantique). Néanmoins, la validité de cette prédiction n'a pas encore été confirmée, d'autant plus que les électrons interagissent fortement les uns avec les autres en raison de leur charge.
"Les ondes électroniques à interaction forte peuvent certainement être localisées par le désordre, mais s'ils le font d'une manière compatible avec la localisation d'Anderson n'est pas clair, " Pierre Armitage, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Les interactions sont fortes dans un isolant, mais la question essentielle est de savoir si oui ou non ils sont effectivement hors de propos, comme dans de nombreux métaux. Notre travail montre, pour la première fois, qu'ils ne sont pas sans importance."
Essentiellement, Armitage, Fahad Mahmood et leurs collègues ont découvert la première preuve expérimentale suggérant que la localisation d'Anderson ne s'applique pas aux ondes électroniques. Pour mener leurs expériences, ils ont utilisé une nouvelle technique qu'ils ont développée appelée spectroscopie cohérente THz 2-D. Cette technique s'appuie sur les avancées récentes de la technologie THz, qui a permis la génération de champs électriques de très grande portée THz.
Les grands champs générés par les nouvelles technologies THz permettent aux scientifiques de collecter des mesures de non-linéarités optiques THz. En utilisant la spectroscopie cohérente THz 2-D, les chercheurs ont recherché la signature des interactions entre les électrons simplement en recherchant la signature des interactions effectives entre les photons THz qu'ils utilisaient.
"Quand un système physique est excité, un certain taux de cette énergie quitte toujours le système, " expliqua Armitage. " En raison du fait que les interactions ne sont que faiblement ressenties dans la plupart des métaux, dans ces matériaux, ce taux est très faible. Cependant, en utilisant la spectroscopie THz 2-D, nous avons constaté que dans ces matériaux, le taux n'est pas faible, et est, En réalité, proportionnel à la fréquence utilisée pour exciter le système."
Les résultats suggèrent que les excitations dans le silicium dopé au phosphore et potentiellement dans d'autres systèmes similaires ne peuvent pas être considérées comme des "interactions faibles". il n'y a aucune preuve pour soutenir une description sans interaction. D'autre part, ils ont constaté qu'il y a des interactions dans ces systèmes d'isolateurs, mais que leur force est simplement proportionnelle à la fréquence employée pour les exciter.
« La phénoménologie que nous avons observée peut être décrite par le terme « liquide de Fermi marginal », " un état qui a été proposé d'exister dans des matériaux comme l'état normal des supraconducteurs cuprates, dont la compréhension nous échappe encore, " dit Armitage.
L'étude récente menée par cette équipe de chercheurs montre clairement que le silicium dopé doit être décrit comme un système intrinsèquement fortement interactif. À l'avenir, cette découverte cruciale pourrait inspirer d'autres équipes à mener des expériences similaires, ce qui pourrait finalement élargir la compréhension actuelle d'autres systèmes électroniques désordonnés, comme les supraconducteurs cuprates.
"Nous appliquons maintenant la même technique utilisée dans notre étude à d'autres matériaux quantiques intéressants, tels que les liquides de spin quantique, mais nous travaillons également à obtenir plus d'informations sur le verre marginal de Fermi, " dit Armitage. " En ce qui concerne le comportement que nous avons trouvé, il y a aussi beaucoup à comprendre théoriquement. Nous espérons que les théoriciens utiliseront des constructions théoriques sophistiquées pour traiter ce comportement. »
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