Pour la toute première fois, une équipe internationale de physiciens a obtenu des images directes des niveaux de Landau – les niveaux quantiques qui déterminent le comportement des électrons dans un champ magnétique puissant.
Niveau de Landau 1 mesuré expérimentalement, à gauche, et simulé (Université de Warwick)
Ces orbites magnétiques des électrons ont été prédites par le prix Nobel Lev Landau en 1930.
En utilisant la spectroscopie à effet tunnel, l’équipe a révélé la structure interne en anneau des niveaux de Landau à la surface d’un semi-conducteur. Les résultats sont publiés dans le journal Physical Review Letters.
“C’est une étape passionnante pour nous, nous voyons vraiment pour la première fois des fonctions d’onde mécaniques quantiques individuelles d’électrons dans des matériaux réels”, a déclaré le co-auteur de l’étude, le professeur Rudolf Roemer, du département de physique de l’université de Warwick.
Le défi expérimental de l’étude était d’avoir une résolution spatiale suffisante pour surmonter le désordre intrinsèque du matériau qui ne permet généralement que l’observation d’états de dérive étalés.
Les images montrent clairement que Landau avait raison lorsqu’il a prédit que, dans un système propre, les électrons prendraient la forme d’anneaux concentriques, dont le nombre augmente en fonction de leur niveau d’énergie. Ce simple comportement de comptage est à la base de ce que l’on appelle l’effet Hall quantique.
Bien qu’à l’origine d’un intérêt essentiellement fondamental, l’effet a été utilisé ces dernières années pour définir la norme de ce que nous entendons par résistance électrique et pourrait bientôt être utilisé pour définir le kilogramme également.
“A première vue, cela peut sembler très éloigné de la vie quotidienne. Cependant, la question de la définition du kilogramme fait actuellement l’objet d’un débat, l’espacement entre les anneaux de ces niveaux de Landau servant en quelque sorte de marqueur pour un poids universel. Ainsi, la prochaine fois que vous mesurerez votre sucre pour faire cuire un gâteau, vous utiliserez peut-être sans le savoir ces anneaux quantiques”, a déclaré le professeur Roemer.
