Les liquides de Fermi sont des systèmes de mécanique quantique dans lesquels les fermions (comme les électrons dans un métal) se comportent collectivement de manière prévisible à une température nulle absolue, équivalente à 0 Kelvin ou -273,15°C.

Les fermions sont l'une des deux classes fondamentales de particules de l'univers et obéissent aux statistiques de Fermi-Dirac (FD). Ceci décrit leur distribution lorsque le système est en équilibre thermique.

C’est là que nous rencontrons un système quantique intéressant appelé liquide de Fermi. Le terme « liquide de Fermi » vient de l'idée que, de la même manière qu'un liquide s'écoule librement et peut changer de forme, les fermions d'un liquide de Fermi se déplacent relativement librement dans le matériau en raison de leur comportement collectif.

Pour les liquides de Fermi, le comportement des fermions est caractérisé par une surface de Fermi. La surface de Fermi marque une séparation dans les états énergétiques du liquide de Fermi, indiquant les états énergétiques remplis et vides occupés par les fermions.

Les chercheurs étaient motivés pour comprendre ce qui arrive aux électrons lorsqu'une force motrice périodique leur est appliquée tout en étant couplée à un bain thermique fermionique.

L'étude, publiée dans Physical Review Letters , a été menée par le Dr Li-kun Shi et le Dr Inti Sodemann Villadiego de l'Université de Leipzig en Allemagne et le Dr Oles Matsyshyn et le Dr Justin C. W. Song de l'Université technologique de Nanyang à Singapour.

Phys.org s'est entretenu avec les chercheurs, qui ont cité une question plus vaste à laquelle ils espéraient répondre :les photocourants (courants résultant de l'éclairage d'un matériau) existent-ils dans des cristaux purs (comme les métaux et les semi-conducteurs) même lorsque le matériau n'absorbe pas la lumière ?

Cette question les a amenés au liquide Floquet Fermi.

Le liquide Floquet Fermi

Dans un liquide de Fermi, les états énergétiques sont continus, avec des états d’énergie remplis en dessous de l’énergie de Fermi et des états vides au-dessus. Le niveau d'énergie de Fermi marque le niveau d'énergie auquel la probabilité de trouver un état de fermion passe de près de 100 % occupé à près de 0 % occupé.

Au zéro absolu, tous les états jusqu’à l’énergie de Fermi sont remplis et tous les états au-dessus sont vides. Ce niveau d'énergie définit efficacement la surface de Fermi dans l'espace d'impulsion :un concept théorique qui aide à visualiser ce qui se passe à l'intérieur de la matière.

Lorsque nous appliquons une force périodique sur un liquide de Fermi, ses niveaux d'énergie normaux sont modifiés en bandes de Floquet, qui sont les niveaux d'énergie modifiés du liquide de Fermi en raison de la force motrice. Considérez-le comme des ondulations se formant à la surface de l'eau.

Les chercheurs voulaient maintenant comprendre ce qui se passait si ce système s’éloignait de l’équilibre. Pour ce faire, les chercheurs ont introduit un bain fermionique, qui est un réservoir ou un environnement composé de fermions.

Les chercheurs ont découvert que le liquide de Fermi résultant se trouve dans un état trivial non stationnaire, appelé liquide de Fermi Floquet. Ils ont constaté que le liquide résultant ne suivait pas les statistiques typiques du FD.

Escalier FD et surfaces imbriquées

Dans ce cas, l'état FFL est considéré comme non trivial car il résulte de l'interaction entre les forces motrices périodiques, les interactions fermioniques et l'environnement.

Au lieu d'une transition douce dans les états énergétiques, ressemblant à un saut unique généralement observé dans les distributions FD d'équilibre, l'occupation des états énergétiques a montré un modèle en forme d'escalier avec de multiples sauts.

"Chacun de ces sauts conduit à l'apparition d'une nouvelle surface de Fermi (la surface Floquet Fermi)", a expliqué le Dr Shi.

"Les surfaces Floquet Fermi qui apparaissent à l'état FFL sont enfermées les unes dans les autres", a ajouté le Dr Matsyshyn.

Considérez-le comme des surfaces de Fermi en couches, semblables à une situation de poupée gigogne russe. Ces surfaces Floquent Fermi affectent le comportement global du système, donnant lieu à des phénomènes spécifiques.

Modèles de battement dans les oscillations quantiques et contrôle du comportement électronique

Les oscillations quantiques sont des changements périodiques dans les propriétés d'un matériau, telles que la résistance, en fonction de paramètres externes comme le champ magnétique ou la pression.

Les chercheurs ont observé des modèles de battements dans les oscillations quantiques sous l'influence d'un champ magnétique externe dans le cas des FFL.

Ces motifs résultent de l’interférence entre des surfaces Floquet Fermi de différentes tailles, imbriquées les unes dans les autres. La présence de multiples surfaces Floquet Fermi entraîne des effets d'interférence constructifs et destructeurs, entraînant des oscillations de la résistance.

"Les modèles de battements dans les oscillations quantiques sont cohérents avec les expériences d'oscillations à résistance induites par micro-ondes (MIRO) observées dans des systèmes électroniques bidimensionnels", a expliqué le Dr Song.

Ils fournissent également un moyen de concevoir et d'adapter le comportement électronique du système.

Le Dr Villadiego a déclaré :"La présence de plusieurs surfaces de Fermi permet un meilleur contrôle sur les propriétés électroniques du système. En réglant la fréquence ou l'intensité de la lumière, nous pouvons manipuler la forme et la séparation des surfaces de Fermi de Floquet."

Cela offre de nouvelles possibilités pour contrôler le comportement électronique.

Applications potentielles et informations

L'une des leçons les plus intéressantes soulignées par les chercheurs est que l'état stationnaire ne doit pas être considéré, comme le dit le Dr Shi, comme « une sorte de version ennuyeuse et légèrement plus chaude de la distribution FD à l'équilibre ».

"Au lieu de cela, le système s'approche d'un état stable, qui a une densité d'énergie plus élevée que l'état d'équilibre, mais cet excès d'énergie n'est pas stocké sous forme d'une sorte de chaleur sans particularité, mais conduit plutôt à un réarrangement très précis de l'occupation des états qui conserve une nature quantique précise", a déclaré le Dr Matsyshyn.

Les chercheurs ont également fourni des conditions ou des critères à respecter pour réaliser expérimentalement le FFL. Ils ont également répertorié plusieurs pistes potentielles pour des travaux futurs, dont l'une est la question initiale du photocourant dans les matériaux en vrac.

"En utilisant notre état liquide Floquet Fermi, on peut démontrer rigoureusement qu'il est en effet possible, même pour une lumière purement monochromatique, de générer un courant net redressé, même lorsque sa fréquence est à l'intérieur de l'intervalle", a déclaré le Dr Villadiego.

"Ces idées pourraient être pertinentes pour le développement de nouvelles technologies optoélectroniques telles que des amplificateurs de lumière, des capteurs, des cellules solaires et des dispositifs de récupération d'énergie", a conclu le Dr Song.