Illustration d'artiste du motif, connu sous le nom de moiré d'après le tissu français, qui se développe dans le matériau torsadé et superposé créé par l'équipe. Ce modèle est essentiel pour produire les comportements inhabituels des électrons quantiques découverts. Crédit :J.F. Podevin pour le département de physique de l'Université de Princeton.
Une expérience récente détaillée dans la revue Nature remet en question notre vision du comportement des électrons dans les matériaux quantiques. En utilisant des couches empilées d'un matériau appelé ditellurure de tungstène, les chercheurs ont observé des électrons en deux dimensions se comportant comme s'ils étaient dans une seule dimension et, ce faisant, ont créé ce que les chercheurs affirment être un nouvel état électronique de la matière.
"C'est vraiment un tout nouvel horizon", a déclaré Sanfeng Wu, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'article. "Nous avons pu créer une nouvelle phase électronique avec cette expérience, essentiellement un nouveau type d'état métallique."
Notre compréhension actuelle du comportement des électrons en interaction dans les métaux peut être décrite par une théorie qui fonctionne bien avec les systèmes bidimensionnels et tridimensionnels, mais échoue lorsqu'il s'agit de décrire l'interaction des électrons dans une seule dimension.
"Cette théorie décrit la majorité des métaux que nous connaissons", a déclaré Wu. "Il stipule que les électrons dans le métal, bien qu'ils interagissent fortement, doivent se comporter comme des électrons libres, sauf qu'ils peuvent avoir des valeurs différentes dans certaines quantités caractéristiques, telles que la masse et le moment magnétique."
Dans les systèmes unidimensionnels, cependant, cette "théorie du liquide de Fermi" cède la place à une autre théorie, "la théorie du liquide de Luttinger", pour décrire l'interaction entre les électrons.
"La théorie des liquides de Luttinger fournit un point de départ de base pour comprendre les électrons en interaction dans une dimension", a déclaré Wu. "Les électrons d'un réseau unidimensionnel sont si fortement corrélés les uns aux autres que, dans un sens, ils commencent à ne pas agir comme des électrons libres."
La théorie du liquide de Fermi a été proposée pour la première fois par le lauréat du prix Nobel L.D. Landau. La théorie de Luttinger est passée par un long processus de raffinement avant d'être largement acceptée par les physiciens. Un modèle théorique a été proposé pour la première fois par le lauréat japonais du prix Nobel Shinichiro Tomonaga dans les années 1950, a déclaré Wu, et a été formulé indépendamment par J.M. Luttinger plus tard en 1963.
Luttinger, cependant, a fourni une solution inadéquate et donc le mathématicien et physicien de Princeton Elliott Lieb, aujourd'hui professeur émérite de physique Eugene Higgins, a relevé le défi en 1965, fournissant finalement une solution correcte. Un autre physicien et lauréat du prix Nobel, F. Duncan Haldane, professeur de physique à l'Université Sherman Fairchild de Princeton, a ensuite utilisé le modèle en 1981 pour comprendre les effets d'interaction des métaux unidimensionnels. Haldane a inventé le terme "liquides de Luttinger" et a jeté les bases de la théorie moderne des liquides de Luttinger en tant que description générale des métaux unidimensionnels.
Pendant longtemps, ces deux théories, la théorie du liquide de Fermi et la théorie du liquide de Luttinger, ont été au cœur de notre compréhension du comportement des électrons en physique de la matière condensée, selon leur dimensionnalité.
Mais il y a eu des indices que les interactions des électrons sont beaucoup plus complexes que cette simple classification. Philip Anderson, autre lauréat du prix Nobel et physicien de Princeton, a proposé dans les années 1990 qu'il pourrait y avoir certains cas "exotiques" dans lesquels le comportement des électrons dans les systèmes bidimensionnels, en de rares occasions, pourrait également suivre les prédictions de la théorie liquide de Luttinger. En d'autres termes, bien que les électrons dans les systèmes bidimensionnels soient généralement expliqués par la théorie du liquide de Fermi, Anderson s'est demandé si ces électrons pouvaient contre-intuitivement se comporter comme un liquide de Luttinger, comme s'ils se trouvaient dans un système unidimensionnel.
C'était en grande partie hypothétique. Il n'y avait aucune expérience pouvant être liée à ces cas exotiques, a déclaré Wu.
Jusqu'à maintenant.
Les chercheurs ont créé un dispositif composé de tungstène (W) et de tellurure (Te) en deux couches cristallines empilées l'une sur l'autre et tordues l'une par rapport à l'autre de quelques degrés seulement. Le ditellurure de tungstène bicouche torsadé résultant présentait des propriétés étranges et inattendues. Crédit :Pengjie Wang
Grâce à l'expérimentation, Wu et son équipe ont découvert que les électrons dans une structure matérielle bidimensionnelle spécialement créée, lorsqu'ils étaient refroidis à des températures très basses, commençaient soudainement à se comporter comme prévu par la théorie des liquides de Luttinger. En d'autres termes, ils agissaient comme des électrons corrélés dans un état unidimensionnel.
Les chercheurs ont mené leur expérience en utilisant un matériau appelé ditellurure de tungstène (WTe2 ), un semi-métal stratifié. Un semi-métal est un composé qui possède des propriétés intermédiaires qui le placent entre les métaux et les isolants. Les chercheurs de Princeton Leslie Schoop, professeur adjoint de chimie, et Robert Cava, professeur de chimie Russell Wellman Moore, et leurs équipes ont créé des cristaux de ditellurure de tungstène de la plus haute qualité. L'équipe de Wu a ensuite créé des couches atomiques uniques de ce matériau et en a empilé deux verticalement pour l'étude.
"Nous avons empilé des monocouches de ditellurure de tungstène les unes sur les autres et utilisé une torsion d'angle de 5 ou 6 degrés", a déclaré Pengjie Wang, co-premier auteur de l'article et associé de recherche postdoctoral. Cela a créé un grand treillis rectangulaire appelé motif moiré, qui ressemble à un dessin textile français courant.
L'équipe avait initialement prévu d'observer comment l'angle de torsion affecterait les autres types de phénomènes quantiques dans le ditellurure de tungstène. Mais ce qu'ils ont trouvé les a étonnés.
"Au début, nous étions confus par les résultats", a déclaré Wang. "Mais il s'est avéré que c'était vrai."
Les chercheurs ont observé que les électrons, au lieu d'agir librement, ont commencé à se rassembler fortement en un réseau linéaire indicatif d'électrons dans un système unidimensionnel.
"Ce que vous avez ici est vraiment un état métallique bidimensionnel qui n'est pas décrit par la théorie standard du liquide de Fermi", a déclaré Wu. "Pour la première fois, nous trouvons une toute nouvelle phase électronique de la matière en deux dimensions décrite par la théorie liquide de Luttinger."
Guo Yu, co-premier auteur de l'article et étudiant diplômé en génie électrique et informatique, a décrit les propriétés du matériau comme étant remarquablement commutables entre uniformes dans toutes les directions (isotropes) ou variant fortement dans les propriétés physiques lorsqu'elles sont mesurées dans différentes directions ( anisotrope).
"Ce qui est unique pour notre système de ditellurure de tungstène bicouche torsadé, c'est que, contrairement à la plupart des autres matériaux monocouches et leurs super-réseaux de moiré qui sont isotropes, le motif de moiré de notre échantillon est hautement anisotrope, crucial pour héberger la physique unidimensionnelle", a déclaré Yu. dit.
Une nouvelle phase métallique pourrait sembler avoir de nombreuses applications pratiques, mais Wu a averti qu'il s'agissait de recherches préliminaires. Avant que de telles applications puissent être réalisées, a-t-il déclaré, des travaux supplémentaires doivent être effectués.
Néanmoins, Wu est optimiste quant à l'avenir. "Cela pourrait aider à ouvrir une toute nouvelle fenêtre pour examiner de nouvelles phases quantiques de la matière", a-t-il déclaré. "Dans les années à venir, nous verrons beaucoup de nouvelles découvertes sortir de cette recherche." Comportement des électrons "piégés" dans un monde unidimensionnel observé en laboratoire
