Les électrons – les particules infinitésimales connues pour tourner autour des atomes – continuent d’étonner les scientifiques malgré plus d’un siècle que les scientifiques les étudient. Aujourd'hui, des physiciens de l'Université de Princeton ont repoussé les limites de notre compréhension de ces minuscules particules en visualisant, pour la première fois, des preuves directes de ce que l'on appelle le cristal de Wigner, un type étrange de matière entièrement constituée d'électrons. P>

La découverte, publiée dans Nature, confirme une théorie vieille de 90 ans selon laquelle les électrons peuvent s’assembler pour former leur propre formation cristalline, sans avoir besoin de fusionner autour des atomes. La recherche pourrait contribuer à la découverte de nouvelles phases quantiques de la matière lorsque les électrons se comportent collectivement.

"Le cristal de Wigner est l'une des phases quantiques de la matière les plus fascinantes qui ait été prédite et qui a fait l'objet de nombreuses études prétendant avoir trouvé, au mieux, des preuves indirectes de sa formation", a déclaré Al Yazdani, de l'Université distinguée James S. McDonnell. Professeur de physique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'étude. "La visualisation de ce cristal nous permet non seulement d'observer sa formation, confirmant bon nombre de ses propriétés, mais nous pouvons également l'étudier d'une manière que nous ne pouvions pas faire dans le passé."

Dans les années 1930, Eugene Wigner, professeur de physique à Princeton et lauréat du prix Nobel 1963 pour ses travaux sur les principes de symétrie quantique, a écrit un article dans lequel il proposait l'idée alors révolutionnaire selon laquelle l'interaction entre les électrons pourrait conduire à leur arrangement spontané en une configuration cristalline, ou réseau, d’électrons étroitement emballés. Cela ne pouvait se produire, a-t-il théorisé, qu'en raison de leur répulsion mutuelle et dans des conditions de faibles densités et de températures extrêmement froides.

"Quand vous pensez à un cristal, vous pensez généralement à une attraction entre atomes comme une force stabilisatrice, mais ce cristal se forme uniquement à cause de la répulsion entre les électrons", a déclaré Yazdani, codirecteur inaugural du Princeton Quantum Institute et directeur du Princeton Center for Complex Materials.

Pendant longtemps, cependant, l’étrange cristal électronique de Wigner est resté du domaine de la théorie. Ce n’est qu’après une série d’expériences beaucoup plus tardives que le concept de cristal électronique est passé de la conjecture à la réalité. La première d'entre elles a eu lieu dans les années 1970, lorsque des scientifiques des laboratoires Bell du New Jersey ont créé un cristal électronique "classique" en pulvérisant des électrons sur la surface de l'hélium et ont découvert qu'ils réagissaient de manière rigide comme un cristal.

Cependant, dans ces expériences, les électrons étaient très éloignés les uns des autres et se comportaient davantage comme des particules individuelles que comme une structure cohésive. Un véritable cristal de Wigner, au lieu de suivre les lois physiques familières du monde quotidien, suivrait les lois de la physique quantique, dans laquelle les électrons n'agiraient pas comme des particules individuelles mais plutôt comme une onde unique.

Cela a conduit à toute une série d’expériences au cours des décennies suivantes proposant diverses manières de créer des cristaux quantiques de Wigner. Ces expériences ont connu un grand progrès dans les années 1980 et 1990, lorsque les physiciens ont découvert comment confiner le mouvement des électrons à des couches atomiquement minces à l'aide de semi-conducteurs.

L’application d’un champ magnétique à de telles structures en couches fait également bouger les électrons en cercle, créant ainsi des conditions favorables à la cristallisation. Cependant, ces expériences n’ont jamais permis d’observer directement le cristal. Ils n'ont pu que suggérer son existence ou la déduire indirectement de la façon dont les électrons traversent le semi-conducteur.

"Il existe littéralement des centaines d'articles scientifiques qui étudient ces effets et prétendent que les résultats doivent être dus au cristal de Wigner", a déclaré Yazdani, "mais on ne peut pas en être sûr car aucune de ces expériences ne voit réellement le cristal." P>

Une considération tout aussi importante, a noté Yazdani, est que ce que certains chercheurs pensent être la preuve d'un cristal de Wigner pourrait être le résultat d'imperfections ou d'autres structures périodiques inhérentes aux matériaux utilisés dans les expériences.

"S'il y a des imperfections ou une forme de sous-structure périodique dans le matériau, il est possible de piéger des électrons et de trouver des signatures expérimentales qui ne sont pas dues à la formation d'un cristal de Wigner ordonné auto-organisé lui-même, mais à des électrons "bloqués". proche d'une imperfection ou coincé à cause de la structure du matériau", a-t-il déclaré.

Avec ces considérations à l'esprit, Yazdani et son équipe de recherche ont décidé de voir s'ils pouvaient directement imager le cristal de Wigner à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), un appareil qui s'appuie sur une technique appelée « tunnel quantique » plutôt que sur la lumière pour visualiser le cristal. monde atomique et subatomique.

Ils ont également décidé d’utiliser le graphène, un matériau étonnant découvert au 21e siècle et utilisé dans de nombreuses expériences impliquant de nouveaux phénomènes quantiques. Cependant, pour mener à bien l’expérience, les chercheurs ont dû rendre le graphène aussi vierge et exempt d’imperfections que possible. C'était la clé pour éliminer la possibilité de formation de cristaux électroniques en raison d'imperfections matérielles.

Les résultats ont été impressionnants. "Notre groupe a été capable de produire des échantillons d'une propreté sans précédent, ce qui a rendu ce travail possible", a déclaré Yazdani. "Avec notre microscope, nous pouvons confirmer que les échantillons ne présentent aucune imperfection atomique dans le réseau atomique du graphène ni aucun atome étranger à sa surface dans des régions comptant des centaines de milliers d'atomes."

Pour fabriquer du graphène pur, les chercheurs ont exfolié deux feuilles de carbone de graphène dans une configuration appelée graphène bicouche empilé Bernal (BLG). Ils ont ensuite refroidi l’échantillon à des températures extrêmement basses – juste une fraction de degré au-dessus du zéro absolu – et ont appliqué un champ magnétique perpendiculaire à l’échantillon, ce qui a créé un système gazeux d’électrons bidimensionnel dans les fines couches de graphène. Grâce à cela, ils pourraient régler la densité des électrons entre les deux couches.

"Dans notre expérience, nous pouvons imager le système en ajustant le nombre d'électrons par unité de surface", a déclaré Yen-Chen Tsui, étudiant diplômé en physique et premier auteur de l'article. "En changeant simplement la densité, vous pouvez initier cette transition de phase et constater que les électrons se forment spontanément en un cristal ordonné."

Cela se produit, a expliqué Tsui, parce qu'à faible densité, les électrons sont très éloignés les uns des autres et ils sont situés de manière désordonnée et désorganisée. Cependant, à mesure que vous augmentez la densité, ce qui rapproche les électrons, leurs tendances répulsives naturelles entrent en jeu et ils commencent à former un réseau organisé. Ensuite, à mesure que vous augmentez encore la densité, la phase cristalline fondra en un liquide électronique.

Minhao He, chercheur postdoctoral et co-premier auteur de l'article, a expliqué ce processus plus en détail. "Il existe une répulsion inhérente entre les électrons", a-t-il déclaré. "Ils veulent s'écarter les uns les autres, mais en attendant, les électrons ne peuvent pas être infiniment séparés en raison de la densité finie. Le résultat est qu'ils forment une structure de réseau régularisée et étroitement tassée, chacun des électrons localisés occupant une certaine quantité. d'espace."

Lorsque cette transition s’est formée, les chercheurs ont pu la visualiser à l’aide du STM. "Notre travail fournit les premières images directes de ce cristal. Nous avons prouvé que le cristal est réellement là et nous pouvons le voir", a déclaré Tsui.

Cependant, la simple visualisation du cristal ne marquait pas la fin de l’expérience. Une image concrète du cristal leur a permis de distinguer certaines caractéristiques du cristal. Ils ont découvert que le cristal est de configuration triangulaire et qu’il peut être continuellement adapté à la densité des particules. Cela a permis de réaliser que le cristal de Wigner est en fait assez stable sur une très longue plage, une conclusion contraire à ce que de nombreux scientifiques ont supposé.

"En étant capable d'ajuster continuellement sa constante de réseau, l'expérience a prouvé que la structure cristalline est le résultat de la pure répulsion entre les électrons", a déclaré Yazdani.

Les chercheurs ont également découvert plusieurs autres phénomènes intéressants qui mériteront sans aucun doute des recherches plus approfondies à l’avenir. Ils ont constaté que l'emplacement auquel chaque électron est localisé dans le réseau apparaît dans les images avec un certain degré de « flou », comme si l'emplacement n'était pas défini par un point mais par une position dans laquelle les électrons sont confinés dans le réseau. . L'article décrit cela comme le mouvement des électrons au « point zéro », un phénomène lié au principe d'incertitude de Heisenberg. L'étendue de ce flou reflète la nature quantique du cristal de Wigner.

"Les électrons, même lorsqu'ils sont gelés dans un cristal de Wigner, devraient présenter un fort mouvement du point zéro", a déclaré Yazdani. "Il s'avère que ce mouvement quantique couvre un tiers de la distance qui les sépare, faisant du cristal de Wigner un nouveau cristal quantique."

Yazdani et son équipe examinent également comment le cristal de Wigner fond et passe à d'autres phases liquides exotiques d'électrons en interaction dans un champ magnétique. Les chercheurs espèrent imager ces phases de la même manière qu'ils ont photographié le cristal de Wigner.

Plus d'informations : Ali Yazdani, Observation directe d'un cristal de Wigner induit par un champ magnétique, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Princeton