Nommée π-ton (pi-ton), la quasi-particule récemment découverte se compose de deux électrons et de deux trous.
Deux électrons et deux trous, créés par des quanta de lumière, maintenus ensemble par un fond en forme d’échiquier. Crédit image : TU Wien
Une quasi-particule est une perturbation dans un milieu qui se comporte comme une particule et qui peut commodément être considérée comme telle.
Elles sont étudiées en relation avec la physique de l’état solide et la physique nucléaire car elles jouent un rôle important dans la détermination des propriétés de la matière.
“La quasi-particule la plus simple est un trou”, a déclaré le professeur Karsten Held, chercheur à l’Institut de physique du solide de la TU Wien.
“Imaginons, par exemple, que de nombreux atomes soient disposés de façon régulière dans un cristal et qu’il y ait un électron en mouvement au niveau de chaque atome.”
“Seulement à un atome particulier, l’électron manque – on appelle cela un trou.”
“Maintenant, un électron peut se déplacer vers le haut à partir de l’atome voisin. Le trou d’origine est fermé, un nouveau trou s’ouvre. “
Mais il existe plusieurs quasiparticules plus complexes : les excitons, les phonons (particules dérivées des vibrations des atomes dans un solide), les plasmons (particules dérivées des oscillations du plasma), les magnons (excitations collectives de la structure de spin des électrons dans un réseau cristallin) et les polarons (électrons habillés par un nuage de phonons).
“L’exciton, qui joue un rôle important dans la physique des semi-conducteurs, est un état lié constitué d’un électron et d’un trou, qui est créé par la lumière”, ont déclaré les physiciens.
“L’électron est chargé négativement, le trou est l’absence de charge négative – et donc chargé positivement. Les deux s’attirent mutuellement et peuvent former une liaison.”
Dans la nouvelle étude, ils ont développé des simulations informatiques pour calculer les effets physiques quantiques dans les solides.
Mais ils se sont vite rendu compte qu’ils étaient tombés sur quelque chose de totalement différent dans leurs calculs : un tout nouveau type de quasiparticule.
“Le nom pi-ton vient du fait que les deux électrons et les deux trous sont maintenus ensemble par des fluctuations de densité de charge ou des fluctuations de spin qui inversent toujours leur caractère de 180 degrés d’un point du réseau du cristal à l’autre – c’est-à-dire d’un angle de pi, mesuré en radians”, a déclaré le Dr Anna Kauch, également de l’Institut de physique des solides de la TU Wien.
“Ce changement constant du plus au moins peut peut-être être imaginé comme un changement du noir au blanc sur un échiquier”, a ajouté le Dr Petra Pudleiner, de l’Institut de physique des solides de la TU Wien et de l’Institut de physique théorique et informatique de l’Université de technologie de Graz.
“Le pi-ton est créé spontanément en absorbant un photon. Lorsqu’il disparaît, un photon est à nouveau émis.”
Les travaux de l’équipe paraissent dans la revue Physical Review Letters.
