Lorsque les électrons traversent un conducteur, comme les fils de cuivre de nos chargeurs de téléphone ou les puces de silicium des circuits imprimés de nos ordinateurs portables, ils entrent en collision avec des impuretés matérielles et entre eux dans une petite frénésie atomique. Leur interaction avec les impuretés est bien connue.

Encore, tout en comprenant comment les électrons interagissent les uns avec les autres est fondamental pour comprendre la physique, mesurer la force de ces interactions s'est avéré être un défi délicat pour les physiciens.

Une équipe dirigée par des chercheurs de Virginia Tech a découvert qu'en créant un ensemble spécifique de conditions, ils pourraient quantifier les interactions électron-électron plus précisément que jamais. Leurs découvertes s'appuient sur des théories physiques existantes et peuvent être appliquées à l'amélioration des appareils électroniques et des ordinateurs quantiques. Ils ont récemment publié leurs découvertes dans la revue Communication Nature .

Pour étudier comment les électrons interagissent entre eux, l'équipe a fabriqué de minuscules dispositifs qui créeraient un faisceau d'électrons. Ils avaient besoin de trois conditions spécifiques pour obtenir les résultats :des températures basses, un champ magnétique pour faire tourbillonner les électrons sur des orbites, et des matériaux ultrapurs fournis par des collaborateurs de l'Université Purdue. Leur objectif :voir jusqu'où les électrons parcourraient leurs orbites avant de rencontrer d'autres électrons et de se disperser. Comme l'appareil était fabriqué à partir de matériaux ultrapurs, l'équipe savait qu'il n'y avait pas d'autres variables qui pourraient provoquer la diffusion - ils pouvaient voir les électrons interagir sans aucune variable de confusion.

« Ce qui se passe habituellement dans un le semi-conducteur impur est que les électrons subissent tellement de collisions avec des impuretés que vous ne savez pratiquement jamais ce que font réellement les interactions électron-électron, " dit Jean Heremans, professeur au Département de physique du Collège des sciences. "Mais quand vous enlevez ces impuretés, il vous reste une matière ultrapure, et soudain, ces interactions électron-électron deviennent évidentes. C'était un peu une surprise pour nous que ce soit un effet si important, que nous puissions l'utiliser pour quantifier les interactions électroniques. »

Cependant, ce n'était pas la seule surprise que l'équipe a rencontrée. Les scientifiques ont récemment découvert que dans certains matériaux et conditions, des groupes d'électrons circulent collectivement et se comportent comme un liquide. À l'aide d'ordinateurs puissants, collaborateurs du projet à l'Institut polytechnique Rensselaer de Troy, New York, simulé la façon dont le groupe d'électrons s'écoulait. Leurs images ont révélé que les électrons s'écoulaient dans des tourbillons, comme les tourbillons - un comportement qui n'a pas encore été documenté en présence d'un champ magnétique.

"Les tourbillons persistent même si les interactions entre électrons sont très faibles, " dit Adbhut Gupta, l'auteur principal de l'étude et un doctorat. candidat dans le laboratoire de Heremans. "À ce point, on ne sait pas grand-chose de ce comportement collectif dans la limite d'interaction faible. C'est un nouveau phénomène, celui qu'une seule particule n'aurait pas montré. La nôtre est la première expérience à faire allusion à ce genre de comportement collectif."

Gitansh Kataria travaillait également sur l'étude, un étudiant diplômé du département de génie électrique et informatique de Bradley, partie du Virginia Tech College of Engineering.

Les découvertes de l'équipe pourraient être essentielles pour aider les scientifiques à repenser certaines des théories physiques les plus fondamentales, comme la théorie des liquides de Fermi, qui décrit l'état normal des métaux à basse température.

"Ce que nous avons constaté, c'est que ces théories sont obéies mais seulement de manière approximative. Nous avons constaté des écarts par rapport aux attentes théoriques, " dit Heremans. " C'est intéressant parce que si tout est conforme à la théorie, pourquoi faut-il faire des expériences pour commencer ? Ce n'est pas que nous devons être entièrement d'accord, mais nous devons comprendre ce qui manque à la théorie."

Les résultats de cette étude pourraient être appliqués pour aider à améliorer l'électronique, tels que les capteurs et les appareils de télécommunication, dit Heremans. Plus, cette recherche pourrait aider à faire avancer le domaine de pointe de l'informatique quantique, dont une partie repose sur les interactions électron-électron pour former de nouveaux états quantiques. Comprendre le comportement des électrons permettra aux physiciens d'exploiter pleinement la puissance des électrons dans de nouvelles innovations et applications.