Une équipe de physiciens des États-Unis et du Japon a observé expérimentalement un phénomène appelé oscillation quantique dans un isolant topologique bidimensionnel – le ditelluride de tungstène monocouche (WTe2). Les résultats de l’équipe, publiés dans le journal Naturelaissent entrevoir l’existence d’un tout nouveau type de particule quantique – un “fermion neutre”.
Illustration de la conception du dispositif, où une fine couche de hBN (bleu) avec des zones gravées sélectivement est utilisée pour éviter le contact des électrodes de Pd (jaune) avec les bords de la monocouche WTe.2. L’empilement de graphite (gris)/hBN (bleu)/monocouche WTe2 (rouge), représenté dans la vue en coupe, est ensuite empilé sur la partie inférieure avec les électrodes, comme indiqué par la flèche. En médaillon : une image du dispositif 1 ; la ligne rouge pointillée souligne les bords de la monocouche et les carrés blancs indiquent les régions de contact. Crédit image : Wang et al., doi : 10.1038/s41586-020-03084-9.
L’observation d’oscillations quantiques a longtemps été considérée comme une caractéristique de la différence entre les métaux et les isolants.
Dans les métaux, les électrons sont très mobiles et la résistivité est faible. Il y a près d’un siècle, les physiciens ont observé qu’un champ magnétique, couplé à de très basses températures, peut faire passer les électrons d’un état “classique” à un état quantique, provoquant des oscillations dans la résistivité du métal.
Dans les isolants, en revanche, les électrons ne peuvent pas se déplacer et les matériaux ont une résistivité très élevée, de sorte que des oscillations quantiques de ce type ne devraient pas se produire, quelle que soit l’intensité du champ magnétique appliqué.
“Si nos interprétations sont correctes, nous voyons une forme fondamentalement nouvelle de matière quantique”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Sanfeng Wu, chercheur au département de physique de l’université de Princeton.
“Nous imaginons maintenant un tout nouveau monde quantique caché dans les isolants. Il est possible que nous ayons simplement manqué de les identifier au cours des dernières décennies.”
Pour la recherche, le Dr Wu et ses collègues ont préparé le ditelluride de tungstène en utilisant du scotch standard pour exfolier de plus en plus les couches jusqu’à ce qu’on appelle une monocouche.
Le ditelluride de tungstène épais se comporte comme un métal. Mais une fois transformé en monocouche, il devient un isolant très puissant.
Les chercheurs ont ensuite entrepris de mesurer la résistivité de la monocouche de ditelluride de tungstène sous des champs magnétiques.
À leur grande surprise, la résistivité de l’isolant, bien qu’assez grande, a commencé à osciller lorsque le champ magnétique était augmenté, indiquant le passage à un état quantique.
En effet, le matériau – un isolant très fort – présentait la propriété quantique la plus remarquable d’un métal.
“C’était une surprise totale. Nous nous sommes demandés : “Que se passe-t-il ici ?”. Nous ne le comprenons pas encore complètement”, a déclaré le Dr Wu.
‘Il n’y a pas de théories actuelles pour expliquer ce phénomène.”
Néanmoins, les scientifiques ont une hypothèse provocante – une forme de matière quantique qui est chargée de manière neutre.
“En raison d’interactions très fortes, les électrons s’organisent pour produire ce nouveau type de matière quantique. Mais en fin de compte, ce ne sont plus les électrons qui oscillent”, a déclaré le Dr Wu.
Les auteurs pensent plutôt que de nouvelles particules, qu’ils ont baptisées “fermions neutres”, sont nées de ces électrons en forte interaction et sont responsables de la création de cet effet quantique très remarquable.
Dans les matériaux quantiques, les fermions chargés peuvent être des électrons chargés négativement ou des “trous” chargés positivement qui sont responsables de la conduction électrique.
En d’autres termes, si le matériau est un isolant électrique, ces fermions chargés ne peuvent pas se déplacer librement. Cependant, il est théoriquement possible que des particules neutres – c’est-à-dire ni chargées négativement ni positivement – soient présentes et mobiles dans un isolant.
“Nos résultats expérimentauxentrent en conflit avec toutes les théories existantes basées sur des fermions chargés, mais pourraient s’expliquer en présence de fermions neutres en charge”, a déclaré le premier auteur, le Dr Pengjie Wang, chercheur postdoctoral au département de physique de l’université de Princeton.
