Preuve d'un nouveau type de solide de Wigner quantique désordonné

Représentation artistique d'un solide de Wigner anisotrope désordonné composé d'électrons congelés (épinglés par le désordre) disposés dans un réseau anisotrope. Crédit :Hossain et al.

Depuis plusieurs décennies, les physiciens tentent de déterminer les états fondamentaux des systèmes d'électrons 2D à des densités et des températures extrêmement faibles. Les premières prédictions théoriques de ces états fondamentaux ont été avancées par les physiciens Félix Bloch en 1929 et Eugène Wigner en 1934, qui ont tous deux suggéré que les interactions entre électrons pourraient conduire à des états fondamentaux qui n'avaient jamais été observés auparavant.

Des chercheurs de l'Université de Princeton mènent des études dans ce domaine de la physique depuis plusieurs années maintenant. Leur travail le plus récent, présenté dans Physical Review Letters , a rassemblé des preuves d'un nouvel état qui avait été prédit par Wigner, connu sous le nom de solide de Wigner désordonné (WS).

"La phase prédite par Wigner, un réseau ordonné d'électrons (le soi-disant cristal de Wigner ou WS), fascine les scientifiques depuis des décennies", a déclaré Mansour Shayegan, chercheur principal de l'étude, à Phys.org. "Sa réalisation expérimentale est extrêmement difficile, car elle nécessite des échantillons avec de très faibles densités et avec des paramètres appropriés (grande masse effective et petite constante diélectrique) pour renforcer le rôle de l'interaction."

Pour produire avec succès un WS ou un WS quantique en laboratoire, les chercheurs ont besoin d'échantillons extrêmement purs et de haute qualité. Cela signifie que les substances qu'ils utilisent dans leurs expériences doivent contenir un nombre minimal d'impuretés, car ces impuretés peuvent attirer les électrons et les inciter à se réorganiser de manière aléatoire.

Comme il est très difficile de satisfaire aux exigences de production de ces états, les études antérieures portant sur les systèmes WS quantiques, dans lesquels les interactions électron-électron dominent sur la soi-disant énergie de Fermi, ont été incroyablement rares. Le premier WS quantique a été observé en 1999 par Jongsoo Yoon de l'Université de Princeton et certains des chercheurs impliqués dans l'étude récente, en utilisant une hétérostructure 2D GaAs/AlGaAs.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a utilisé un échantillon d'AlAs (arséniure d'aluminium) 2D propre et très pur avec une masse effective anisotrope (c'est-à-dire différente lorsqu'elle est mesurée dans différentes directions) et une mer de Fermi. Notamment, leur échantillon répondait très bien aux exigences pour la réalisation d'un WS 2D anisotrope.

"Notre échantillon est une plate-forme presque idéale pour observer un WS quantique à champ magnétique nul", a déclaré Shayegan. "Maintenant, il s'avère que les électrons 2D dans AlAs offrent un bonus supplémentaire, à savoir une dispersion de bande d'énergie anisotrope qui conduit à une masse effective anisotrope. Ce que nous avons découvert, c'est que cette anisotropie peut se manifester dans les propriétés du WS telles que sa résistance et seuil de désépinglage le long de différentes directions dans le plan.

Le matériau utilisé par Shayegan et ses collègues dans leurs expériences consiste en un puits quantique AlAs de haute qualité, avec très peu d'impuretés et donc peu de désordre. Dans ce puits quantique, les électrons sont confinés dans 2 dimensions.

"Nous pouvons utiliser la tension de grille pour régler la densité des électrons dans notre échantillon", a déclaré Md Shafayat Hossain, auteur principal de l'article, à Phys.org. "Nous avons utilisé une combinaison de transport électrique (c'est-à-dire des mesures de résistivité) et de spectroscopie de polarisation CC (c'est-à-dire une mesure de la résistance différentielle en fonction de la polarisation CC source-drain) pour étudier le solide de Wigner désordonné 2D anisotrope."

Les mesures de la résistivité et de la résistance différentielle de l'échantillon de l'équipe ont montré qu'ils avaient en fait observé un nouveau WS quantique à un champ magnétique nul, en utilisant un système de matériaux anisotropes. En fin de compte, cela leur a permis de découvrir les effets de l'anisotropie sur l'état WS insaisissable mais fascinant.

"Le solide de Wigner observé montre différentes capacités de glissement efficaces dans différentes directions", a déclaré Hossain. "Cela se manifeste par différentes tensions de seuil de décrochage dans différentes directions observées dans nos expériences."

L'état WS anisotrope observé par cette équipe de chercheurs est probablement un état quantique entièrement nouveau. Cela signifie que jusqu'à présent, on sait très peu de choses sur ses propriétés et ses caractéristiques.

À l'avenir, ces découvertes récentes pourraient ainsi inspirer de nouvelles études théoriques et expérimentales visant à mieux comprendre cet état quantique nouvellement identifié avec une anisotropie intrinsèque (c'est-à-dire avec des valeurs différentes lorsqu'il est mesuré dans différentes directions). Ces études pourraient, par exemple, essayer de déterminer la forme caractéristique du réseau de l'état.

"Sur la base de nos découvertes expérimentales, les différents comportements électroniques dans différentes directions des WS anisotropes peuvent également être utiles dans les appareils électroniques", a déclaré Hossain. "Ces appareils pourraient réagir différemment selon la direction de la tension appliquée."

À terme, le WS anisotrope découvert par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux types de dispositifs quantiques anisotropes. Dans leurs prochains travaux, Shayegan, Hossain et leurs collègues sonderont les résonances micro-ondes de l'état qu'ils ont découvert, car elles pourraient fournir plus de détails sur l'état et son anisotropie.

"Par exemple, nous demanderons :le WS présente-t-il des résonances, similaires à ce qui a été observé dans le cas des WS induits par un champ magnétique, à de très petits remplissages (champs magnétiques élevés) ?" Shayegan a ajouté. "Observer les résonances serait très utile car elles fourniraient des preuves solides de la phase WS. De plus, l'observation de résonances dont les fréquences dépendent de l'orientation du champ électrique appliqué par rapport à l'orientation du cristal WS serait fascinante et éclairerait sur le rôle de l'anisotropie." + Explorer plus loin