Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont prédit qu'un état exotique de la matière connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein peut exister à des températures relativement élevées (environ 50 K à 100 K) dans des systèmes comprenant des molécules organiques sur des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D).

Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière dans lequel toutes les particules ont la même énergie et sont complètement coordonnées. D'un point de vue physique, ces particules s'agglutinent et commencent à se comporter comme si elles faisaient partie d'une seule particule plus grande. Le prix Nobel de physique 2001 a été décerné pour la réalisation de la condensation de Bose-Einstein. Cette percée phénoménale a été réalisée pour la première fois dans une collection d'atomes de rubidium à une température ultra-basse de 20 nK. Ce contrôle de l'état de la matière devrait conduire à des ruptures technologiques et permettre également la réalisation de la superfluidité.

Dans ce travail, le professeur Quek Su Ying du département de physique de l'Université nationale de Singapour et son boursier postdoctoral, le Dr Ulman Kanchan, ont prédit que la condensation de Bose-Einstein (BEC) peut avoir lieu à environ 50 K à 100 K dans des milieux organiques. systèmes de matériaux 2D (voir Figure) à travers leur calcul. Cette température BEC est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle précédemment obtenue en utilisant des atomes. Les particules qui se condensent dans les systèmes de matériaux organiques-2D sont des paires électron-trou liées (excitons) qui sont induites dans le système par irradiation avec de la lumière. L'électron réside dans le semi-conducteur 2D (disulfure de molybdène, MoS₂ ) et le trou dans la molécule organique (phtalocyanine de zinc, ZnPc), dans ce qu'on appelle un "exciton de transfert de charge". La séparation spatiale entre l'électron et le trou, ainsi que la nature fortement liée des excitons dans ces matériaux de faible dimension, se traduisent par de longues durées de vie des excitons, qui sont essentielles pour que le BEC ait lieu. Surtout, la température BEC prévue est beaucoup plus élevée que celle des atomes. En effet, la température du BEC est inversement proportionnelle à la masse des particules et la masse de l'exciton est beaucoup plus petite que les masses atomiques typiques.

Avant cette prédiction, le BEC des excitons de transfert de charge était observé à environ 100 K dans des bicouches de matériaux 2D. Cependant, une difficulté pratique dans la réalisation de BEC dans ces systèmes était la nécessité d'un alignement soigneux des deux couches de matériau. Les bicouches mal alignées hébergent des excitons à grande impulsion, qui entravent la formation du condensat. Dans le cas des systèmes de matériaux organiques-2D, la bande passante étroite des états moléculaires implique que les excitons de transfert de charge ont une très petite quantité de mouvement, favorisant ainsi la formation de BEC.

Le professeur Quek a déclaré :« Les molécules organiques telles que les phtalocyanines de métaux de transition forment facilement des monocouches ordonnées et auto-assemblées sur des matériaux 2D. La prédiction du BEC à haute température des excitons dans les systèmes de matériaux organiques 2D devrait conduire à des réalisations plus pratiques de cet état exotique. de la matière, et ouvre la voie à l'étude d'applications intrigantes liées aux condensats de Bose-Einstein." + Explorer plus loin

Condensation spontanée de Bose-Einstein des excitons