Les humains étudient la charge électrique depuis des milliers d'années, et les résultats ont façonné la civilisation moderne. Notre quotidien dépend de l'éclairage électrique, smartphone, voitures, et ordinateurs, d'une manière que les premiers individus à prendre note d'un choc statique ou d'un éclair n'auraient jamais pu imaginer.

Maintenant, Les physiciens de Northeastern ont découvert une nouvelle façon de manipuler la charge électrique. Et les changements pour l'avenir de notre technologie pourraient être monumentaux.

"Quand de tels phénomènes sont découverts, l'imagination est la limite, " dit Svastik Kar, professeur agrégé de physique. « Cela pourrait changer la façon dont nous pouvons détecter et communiquer des signaux. Cela pourrait changer la façon dont nous pouvons détecter les choses et le stockage des informations, et des possibilités auxquelles nous n'avons peut-être même pas encore pensé."

La capacité de se déplacer, manipuler, et stocker des électrons est la clé de la grande majorité de la technologie moderne, que nous essayions de récupérer l'énergie du soleil ou que nous jouions à Plants vs. Zombies sur notre téléphone. Dans un article publié en Nanoéchelle , les chercheurs ont décrit un moyen de faire faire aux électrons quelque chose d'entièrement nouveau :se répartir uniformément dans un motif cristallin.

"Je suis tenté de dire que c'est presque comme une nouvelle phase de la matière, " dit Kar. "Parce que c'est purement électronique."

Le phénomène est apparu alors que les chercheurs menaient des expériences avec des matériaux cristallins de seulement quelques atomes d'épaisseur, connus sous le nom de matériaux 2-D. Ces matériaux sont constitués d'un motif répétitif d'atomes, comme un damier sans fin, et sont si minces que les électrons qu'ils contiennent ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions.

L'empilement de ces matériaux ultra-minces peut créer des effets inhabituels car les couches interagissent à un niveau quantique.

Kar et ses collègues examinaient deux de ces matériaux 2-D, le séléniure de bismuth et un dichalcogénure de métal de transition, superposés comme des feuilles de papier. C'est à ce moment-là que les choses ont commencé à devenir bizarres.

Les électrons devraient se repousser, ils sont chargés négativement, et éloignez-vous des autres choses chargées négativement. Mais ce n'est pas ce que faisaient les électrons de ces couches. Ils formaient un motif stationnaire.

« Sous certains angles, ces matériaux semblent former un moyen de partager leurs électrons qui finit par former ce troisième réseau géométriquement périodique, " Kar dit. "Un tableau parfaitement reproductible de flaques électroniques pures qui réside entre les deux couches."

En premier, Kar supposa que le résultat était une erreur. Les structures cristallines des matériaux 2D sont trop petites pour être observées directement, les physiciens utilisent donc des microscopes spéciaux qui tirent des faisceaux d'électrons au lieu de lumière. Lorsque les électrons traversent le matériau, ils interfèrent les uns avec les autres et créent un motif. Le motif spécifique (et un tas de mathématiques) peut être utilisé pour recréer la forme du matériau 2D.

Lorsque le motif résultant a révélé une troisième couche qui ne pouvait provenir d'aucune des deux autres, Kar pensait que quelque chose s'était mal passé dans la création du matériau ou dans le processus de mesure. Des phénomènes similaires ont déjà été observés, mais seulement à des températures extrêmement basses. Les observations de Kar étaient à température ambiante.

« Avez-vous déjà été dans un pré et avez-vous vu un pommier avec des mangues suspendues ? » demande Kar. "Bien sûr, nous pensions que quelque chose n'allait pas. Cela ne pouvait pas arriver."

Mais après des tests et des expériences répétés dirigés par le doctorant Zachariah Hennighausen, leurs résultats sont restés les mêmes. Il y avait un nouveau motif en treillis de points chargés apparaissant entre les matériaux 2-D. Et ce modèle a changé avec l'orientation des deux couches de sandwich.

Comme Kar et son équipe travaillaient sur l'enquête expérimentale, Arun Bansil, un éminent professeur universitaire de physique à Northeastern, et le doctorant Chistopher Lane examinaient les possibilités théoriques, pour comprendre comment cela a pu se produire.

Les électrons dans un matériau rebondissent toujours, Bansil explique, car ils sont attirés par les noyaux des atomes chargés positivement et repoussés par d'autres électrons chargés négativement. Mais dans ce cas, quelque chose sur la façon dont ces charges sont disposées est la mise en commun des électrons dans un motif spécifique.

« Ils produisent ces régions où il y a, si tu veux, des fossés quelconques dans le paysage potentiel, qui suffisent à forcer ces électrons à créer ces flaques de charge, " dit Bansil. " La seule raison pour laquelle les électrons se formeront en flaques d'eau, c'est parce qu'il y a un trou potentiel là-bas. "

Ces fossés, pour ainsi dire, sont créés par une combinaison de facteurs mécaniques quantiques et physiques, dit Bansil.

Lorsque deux motifs ou grilles répétitifs sont décalés, ils se combinent pour créer un nouveau motif (vous pouvez le reproduire à la maison en superposant les dents de deux peignes plats). Chaque matériau 2-D a une structure répétitive, et les chercheurs ont démontré que le motif créé lorsque ces matériaux sont empilés détermine où les électrons se retrouveront.

"C'est là qu'il devient mécaniquement quantique favorable pour que les flaques d'eau résident, " dit Kar. "C'est presque en train de guider ces flaques d'électrons pour qu'elles restent là et nulle part ailleurs. C'est fascinant."

Alors que la compréhension de ce phénomène en est encore à ses balbutiements, il a le potentiel d'avoir un impact sur l'avenir de l'électronique, systèmes de détection et de détection, et le traitement de l'information.

"L'excitation à ce stade est de pouvoir potentiellement démontrer quelque chose que les gens n'ont jamais pensé pouvoir exister à température ambiante auparavant, " dit Kar. " Et maintenant, le ciel est la limite en termes de comment nous pouvons l'exploiter."