En 1934, Le physicien Eugene Wigner a fait une prédiction théorique basée sur la mécanique quantique qui est restée invisible pendant 87 ans.

La théorie suggérait comment un métal qui conduit normalement l'électricité pourrait se transformer en un isolant non conducteur lorsque la densité des électrons est réduite. Wigner a théorisé que lorsque les électrons dans les métaux sont portés à des températures ultrafroides, ces électrons seraient figés sur leurs traces et formeraient un ensemble rigide, structure non conductrice d'électricité - un cristal - au lieu de se déplacer à des milliers de kilomètres par seconde et de créer un courant électrique. Depuis qu'il l'a découvert, la structure a été inventée un cristal de Wigner et a été observée pour la première fois en 1979.

Ce qui est resté obstinément insaisissable aux physiciens, cependant, a été la fusion de l'état cristallin en un liquide en réponse à des fluctuations quantiques. Au moins, c'était :maintenant, près de 90 ans plus tard, une équipe de physiciens co-dirigée par Hongkun Park et Eugene Demler à la Faculté des arts et des sciences a enfin documenté expérimentalement cette transition.

Le travail est décrit dans une nouvelle étude publiée dans la revue La nature et marque un grand pas vers la création d'un système pour étudier ces types de transitions entre les états de la matière au niveau quantique, un objectif longtemps recherché sur le terrain.

"C'est juste à la frontière de la matière du passage d'un matériau partiellement quantique à un matériau partiellement classique et présente de nombreux phénomènes et propriétés inhabituels et intéressants, " dit Eugène Demler, un auteur principal sur le papier. "Les cristaux eux-mêmes ont été vus, mais ça, sorte de, Une transition vierge - lorsque la mécanique quantique et les interactions classiques se font concurrence - n'a pas été vue. Cela a pris 86 ans."

Dirigé par Park et Demler, l'équipe de recherche s'est concentrée sur l'observation des cristaux de Wigner et de leurs transitions de phase dans l'étude. En chimie, la physique, et thermodynamique, les transitions de phase se produisent lorsqu'une substance passe d'un solide, liquide, ou du gaz à un état différent. Lorsque les fluctuations quantiques proches du zéro absolu entraînent ces transitions, elles sont appelées transitions de phase quantiques. On pense que ces transitions quantiques jouent un rôle important dans de nombreux systèmes quantiques.

Dans le cas d'un cristal de Wigner, la transition cristal-liquide résulte d'une compétition entre les aspects classique et quantique des électrons, le premier dominant dans la phase solide, dans lequel les électrons sont « semblables à des particules, " et ce dernier dominant dans le liquide, dans lequel les électrons sont "en forme d'onde". Pour un seul électron, la mécanique quantique nous dit que la nature particulaire et ondulatoire sont complémentaires.

« Il est frappant de constater que, dans un système de nombreux électrons en interaction, ces différents comportements se manifestent dans des phases distinctes de la matière, " dit Park. " Pour ces raisons, la nature de la transition électronique solide-liquide a suscité un énorme intérêt théorique et expérimental. »

Les scientifiques de Harvard rapportent qu'ils utilisent une nouvelle technique expérimentale développée par You Zhou, Jiho Sung, et Elise Brutschea, chercheuses du Park Research Group et auteurs principaux de l'article, pour observer cette transition solide à liquide dans des bicouches semi-conductrices atomiquement minces. En général, La cristallisation de Wigner nécessite une très faible densité électronique, faisant de sa réalisation expérimentale un défi expérimental majeur. En construisant deux couches d'électrons en interaction à partir de deux semi-conducteurs atomiquement minces, les expérimentateurs ont créé une situation dans laquelle la cristallisation est stabilisée à des densités plus élevées.

Pour voir la transition, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée spectroscopie d'excitons. Ils utilisent la lumière pour exciter un électron dans le système et le lier à la lacune électronique, ou trou, il laisse derrière, formant une paire électron-trou de type hydrogène connue sous le nom d'exciton. Cette paire interagit avec les autres électrons du matériau et modifie ses propriétés pour qu'ils soient visibles optiquement.

Les conclusions de l'article étaient en grande partie accidentelles et ont été une surprise, selon les chercheurs. Le groupe Park s'est d'abord engagé dans une direction différente et a été perplexe lorsqu'il a remarqué que les électrons de leur matériau affichaient un comportement isolant. Ils ont consulté des théoriciens du laboratoire de Demler et ont vite compris ce qu'ils avaient.

Les chercheurs prévoient d'utiliser leur nouvelle méthode pour continuer à étudier d'autres transitions de phase quantiques.

« Nous avons maintenant une plate-forme expérimentale où toutes ces prédictions [différentes de transition de phase quantique] peuvent désormais être testées, " a déclaré Demler.