Dans une nouvelle étude, Des scientifiques de l'Institut indien des sciences (IISc) ont montré expérimentalement pour la première fois l'existence de deux espèces de quelques bulles d'électrons (FEB) dans l'hélium superfluide. Ces FEB peuvent servir de modèle utile pour étudier comment les états énergétiques des électrons et les interactions entre eux dans un matériau influencent ses propriétés.

L'équipe comprenait Neha Yadav, un ancien Ph.D. étudiant au département de physique, Prosenjit Sen, Professeur agrégé au Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) et Ambarish Ghosh, Professeur au CeNSE. L'étude a été publiée dans Avancées scientifiques .

Un électron injecté dans une forme superfluide d'hélium crée une bulle d'électrons unique (SEB) - une cavité exempte d'atomes d'hélium et ne contenant que l'électron. La forme de la bulle dépend de l'état énergétique de l'électron. Par exemple, la bulle est sphérique lorsque l'électron est dans l'état fondamental (1S). Il existe également des MEB, des bulles d'électrons multiples contenant des milliers d'électrons.

FEB, d'autre part, sont des cavités nanométriques dans l'hélium liquide ne contenant qu'une poignée d'électrons libres. Le nombre, l'état et les interactions entre les électrons libres dictent les propriétés physiques et chimiques des matériaux. Étudiant en FEB, donc, pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comment certaines de ces propriétés émergent lorsque quelques électrons présents dans un matériau interagissent les uns avec les autres. Selon les auteurs, comprendre comment les FEB sont formés peut également fournir des informations sur l'auto-assemblage de matériaux mous, ce qui peut être important pour le développement de matériaux quantiques de nouvelle génération. Cependant, les scientifiques n'ont jusqu'à présent que théoriquement prédit l'existence des FEB. "Nous avons maintenant observé expérimentalement les FEB pour la première fois et compris comment ils sont créés, " dit Yadav. " Ce sont de nouveaux objets sympas avec de grandes implications si nous pouvons les créer et les piéger. "

Yadav et ses collègues étudiaient la stabilité des MEB à des tailles nanométriques lorsqu'ils ont observé par hasard des FEB. Initialement, ils étaient à la fois ravis et sceptiques. "Il a fallu un grand nombre d'expériences avant de devenir sûr que ces objets étaient bien des FEB. Ensuite, ce fut certainement un moment extrêmement excitant, " dit Gosh.

Les chercheurs ont d'abord appliqué une impulsion de tension à une pointe de tungstène à la surface de l'hélium liquide. Ensuite, ils ont généré une onde de pression sur la surface chargée à l'aide d'un transducteur à ultrasons. Cela leur a permis de créer 8EB et 6EB, deux espèces de FEB contenant respectivement huit et six électrons. Ces FEB se sont avérés stables pendant au moins 15 millisecondes (les changements quantiques se produisent généralement à des échelles de temps beaucoup plus courtes), ce qui permettrait aux chercheurs de les piéger et de les étudier.

"Les FEB forment un système intéressant qui a à la fois une interaction électron-électron et une interaction électron-surface, " explique Yadav.

Il existe plusieurs phénomènes que les FEB peuvent aider les scientifiques à déchiffrer, tels que les écoulements turbulents dans les superfluides et les fluides visqueux, ou le flux de chaleur dans l'hélium superfluide. Tout comme la façon dont le courant circule sans résistance dans les matériaux supraconducteurs à très basse température, l'hélium superfluide conduit également efficacement la chaleur à très basse température. Mais les défauts du système, appelés tourbillons, peut réduire sa conductivité thermique. Étant donné que les FEB sont présents au cœur de ces tourbillons, comme les auteurs l'ont découvert dans cette étude, ils peuvent aider à étudier comment les tourbillons interagissent les uns avec les autres ainsi que la chaleur circulant à travers l'hélium superfluide.

« Dans l'immédiat, nous aimerions savoir s'il existe d'autres espèces de FEB, et comprendre les mécanismes par lesquels certains sont plus stables que d'autres, " dit Ghosh. " A long terme, nous aimerions utiliser ces FEB comme simulateurs quantiques, pour laquelle il faut développer de nouveaux types de schémas de mesure.