La loi d'Ohm est bien connue en classe de physique. Il indique que la résistance d'un conducteur et la tension qui lui est appliquée déterminent la quantité de courant qui traversera le conducteur. Les électrons du matériau, les porteurs chargés négativement, se déplacent de manière désordonnée et largement indépendamment les uns des autres. Les physiciens trouvent cela beaucoup plus intéressant, cependant, lorsque les porteurs de charge s'influencent suffisamment les uns les autres pour que cette image simple ne soit plus correcte.

C'est le cas, par exemple, dans "Graphène bicouche torsadé, " qui a été découvert il y a quelques années. Ce matériau est composé de deux couches de graphène ultra-fines constituées chacune d'une seule couche d'atomes de carbone. Si deux couches voisines sont légèrement tordues l'une par rapport à l'autre, les électrons peuvent être influencés de telle manière qu'ils interagissent fortement les uns avec les autres. En conséquence, le matériel peut, par exemple, devenir supraconducteur et donc conduire le courant sans aucune perte.

Une équipe de chercheurs dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich, avec des collègues de l'Université du Texas à Austin (États-Unis), a maintenant observé un nouvel état dans les doubles couches torsadées de graphène. Dans cet état, des électrons chargés négativement et des soi-disant trous chargés positivement, qui manquent d'électrons dans le matériau, sont si fortement corrélées les unes avec les autres que le matériau ne conduit plus le courant électrique.

Couches de graphène torsadées

« Dans les expériences conventionnelles, dans lequel les couches de graphène sont tordues d'environ un degré les unes par rapport aux autres, la mobilité des électrons est influencée par la mécanique quantique tunnel entre les couches, " explique Peter Rickhaus, un post-doctorant et auteur principal de l'étude récemment publiée dans la revue Science . "Dans notre nouvelle expérience, par contre, on tord deux doubles couches de graphène de plus de deux degrés l'une par rapport à l'autre, de sorte que les électrons ne peuvent pratiquement plus tunnel entre les doubles couches. "

Résistance accrue grâce au couplage

À la suite de cela, en appliquant un champ électrique, des électrons peuvent être créés dans l'une des doubles couches et des trous dans l'autre. Les électrons et les trous peuvent conduire le courant électrique. Par conséquent, on s'attendrait à ce que les deux doubles couches de graphène forment ensemble un conducteur encore meilleur avec une résistance plus petite.

Dans certaines circonstances, cependant, l'exact contraire peut arriver, comme Folkert de Vries, un post-doc dans l'équipe de l'Ensslin, explique :« Si on ajuste le champ électrique de manière à avoir le même nombre d'électrons et de trous dans les doubles couches, la résistance augmente brusquement." Pendant plusieurs semaines, Ensslin et ses collaborateurs ont été incapables de donner un sens à ce résultat surprenant, mais finalement leur collègue théorique Allan H. MacDonald d'Austin leur a donné un indice décisif :Selon MacDonald, ils avaient observé un nouveau type d'onde de densité.

Les ondes dites de densité de charge se produisent généralement dans les conducteurs unidimensionnels lorsque les électrons du matériau conduisent collectivement le courant électrique et s'organisent également dans l'espace en ondes. Dans l'expérience réalisée par les chercheurs de l'ETH, ce sont maintenant les électrons et les trous qui s'apparient par attraction électrostatique et forment ainsi une onde de densité collective. Cette onde de densité, cependant, se compose maintenant de paires électron-trou électriquement neutres, de sorte que les deux doubles couches prises ensemble ne peuvent plus conduire le courant électrique.

Nouvel état corrélé

"C'est un tout nouvel état corrélé d'électrons et de trous qui n'a pas de charge globale, " dit Ensslin. " Cet état neutre peut, néanmoins, transmettre des informations ou conduire la chaleur. De plus, ce qui est spécial, c'est que nous pouvons le contrôler complètement à travers l'angle de torsion et la tension appliquée. l'expérience à l'ETH, cependant, les électrons et les trous sont dans leur état fondamental, ou état de plus faible énergie, ce qui signifie que leur durée de vie n'est pas limitée par la décomposition spontanée.

Application possible dans les technologies quantiques

Ensslin, qui se spécialise dans l'étude des propriétés électroniques des petits systèmes quantiques, spécule déjà sur les applications pratiques possibles du nouvel état corrélé. Cependant, cela nécessitera une bonne quantité de travail préparatoire. On pourrait piéger les paires électron-trou, par exemple dans un résonateur (Fabry-Pérot). C'est très exigeant, comme les particules neutres ne peuvent pas être contrôlées directement, par exemple en utilisant des champs électriques. Le fait que l'état soit électriquement neutre pourrait, d'autre part, s'avérer être un avantage :il pourrait être exploité pour rendre les mémoires quantiques moins sensibles au bruit de champ électrique.