L'exploration des propriétés et des comportements des particules quantiques en interaction forte est l'une des frontières de la physique moderne. Non seulement il y a des problèmes ouverts majeurs qui attendent des solutions, certains d'entre eux depuis des décennies (pensez à la supraconductivité à haute température). Tout aussi important, il existe divers régimes de physique quantique à plusieurs corps qui restent essentiellement inaccessibles avec les outils analytiques et numériques actuels. Pour ces cas en particulier, des plateformes expérimentales sont recherchées dans lesquelles les interactions entre particules peuvent être à la fois contrôlées et ajustées, permettant ainsi l'exploration systématique de larges gammes de paramètres. L'une de ces plates-formes expérimentales consiste en des empilements soigneusement conçus de matériaux bidimensionnels (2D). Au cours des deux dernières années, ces «matériaux quantiques de conception» ont permis des études uniques d'états électroniques corrélés. Cependant, la force de l'interaction entre les états quantiques est généralement fixée une fois qu'une pile est fabriquée. Maintenant, le groupe du professeur Ataç Imamoğlu de l'Institut d'électronique quantique rapporte un moyen de contourner cette limitation. Écrire en science , ils introduisent une méthode polyvalente qui permet de régler la force d'interaction dans les hétérostructures 2D en appliquant des champs électriques.

La force dans une torsion

Les matériaux bidimensionnels ont été à l'honneur de la recherche à l'état solide depuis la première isolation et caractérisation réussies du graphène - des couches uniques d'atomes de carbone - en 2004. Le domaine s'est développé à une vitesse époustouflante depuis, mais a reçu un coup de pouce notable il y a trois ans, lorsqu'il a été démontré que deux couches de graphène disposées à un petit angle l'une par rapport à l'autre peuvent héberger un large éventail de phénomènes intrigants dominés par les interactions électroniques.

De tels systèmes de «bicouche torsadée», également connus sous le nom de structures moirées, ont ensuite été créés avec d'autres matériaux 2D également, notamment avec des dichalcogénures de métaux de transition (TMD). L'année dernière, le groupe Imamoğlu a démontré que deux couches simples du matériau TMD diséléniure de molybdène (MoSe₂ ), séparés par une barrière monocouche en nitrure de bore hexagonal (hBN), donnent des structures moirées dans lesquelles émergent des états quantiques fortement corrélés. Outre des états purement électroniques, ces matériaux présentent également des états hybrides lumière-matière, ce qui permet in fine d'étudier ces hétérostructures par spectroscopie optique, ce qui n'est pas possible avec le graphène.

Mais malgré toute la fascinante physique à plusieurs corps que ces MoSe₂ /hBN/MoSe₂ permettent d'accéder à, elles partagent un inconvénient avec de nombreuses autres plates-formes à semi-conducteurs :les paramètres clés sont plus ou moins fixes lors de la fabrication. Pour changer cela, l'équipe, dirigée par les post-doctorants Ido Schwartz et Yuya Shimazaki, a désormais adopté un outil largement utilisé dans les expériences sur une plate-forme réputée pour son accordabilité, les gaz quantiques atomiques ultrafroids.

Les résonances de Feshbach deviennent électriques

Schwartz, Shimazaki et leurs collègues ont démontré qu'ils pouvaient induire dans leur système une résonance dite de Feshbach. Ceux-ci permettent, en substance, d'ajuster la force d'interaction entre les entités quantiques en les mettant en résonance avec un état lié. Dans le cas exploré par l'équipe de l'ETH, ces états limites se situent entre un exciton (créé à l'aide des transitions optiques dans leur système) dans une couche et un trou dans l'autre couche. Il s'avère que lorsque l'exciton et le trou se chevauchent dans l'espace, ce dernier peut créer un tunnel vers l'autre couche et former une «molécule» exciton-trou intercouche (voir la figure). Surtout, la force d'interaction inter-couche pertinente des interactions exciton-trou peut être facilement modifiée à l'aide de champs électriques.

Cette accordabilité électrique de l'énergie de liaison des «molécules de Feshbach» contraste avec les systèmes atomiques, où les résonances de Feshbach sont généralement contrôlées par des champs magnétiques. De plus, les expériences de Schwartz, Shimazaki et al. produisent les premières résonances de Feshbach qui se produisent dans des systèmes véritablement 2D, ce qui est intéressant en soi. Plus important, cependant, pourrait être que les résonances de Feshbach accordables électriquement explorées maintenant dans MoSe₂ /hBN/MoSe₂ les hétérostructures devraient être une caractéristique générique des systèmes bicouches avec effet tunnel cohérent d'électrons ou de trous. Cela signifie que le "bouton de réglage" nouvellement introduit pourrait devenir un outil polyvalent pour une large gamme de plates-formes à semi-conducteurs basées sur des matériaux 2D, ouvrant à leur tour des perspectives intrigantes pour l'exploration expérimentale plus large des systèmes quantiques à plusieurs corps. + Explorer plus loin

Des chercheurs observent des trions moirés dans des bicouches de dichalcogénures de métaux de transition empilés en H