Fusion quantique des cristaux de Wigner : créer un système pour étudier les transitions de phase quantiques

Fusion quantique des cristaux de Wigner : créer un système pour étudier les transitions de phase quantiques
Fusion quantique

Un schéma d’une transition de phase quantique d’un liquide électronique à un cristal de Wigner bicouche. Chaque boule représente un seul électron. Crédit : Ella Maru Studio en collaboration avec Hongkun Park et You Zhou

L’étude marque une étape majeure vers la création d’un système d’étude des transitions de phase quantiques.

En 1934, le physicien Eugene Wigner a fait une prédiction théorique basée sur la mécanique quantique qui est restée invisible pendant 87 ans.

La théorie suggérait comment un métal qui conduit normalement l’électricité pourrait se transformer en un isolant non conducteur lorsque la densité des électrons est réduite. Wigner a théorisé que lorsque les électrons dans les métaux sont amenés à des températures ultrafroides, ces électrons seraient gelés sur leurs traces et formeraient une structure rigide non conductrice d’électricité – un cristal – au lieu de se déplacer à des milliers de kilomètres par seconde et de créer un courant électrique. . Depuis qu’il l’a découvert, la structure a été inventée un cristal de Wigner et a été observée pour la première fois en 1979.

Ce qui est resté obstinément insaisissable pour les physiciens, cependant, a été la fusion de l’état cristallin en un liquide en réponse aux fluctuations quantiques. Du moins, c’était le cas : maintenant, près de 90 ans plus tard, une équipe de physiciens co-dirigée par Hongkun Park et Eugene Demler à la Faculté des arts et des sciences a finalement documenté expérimentalement cette transition.

Le travail est décrit dans une nouvelle étude publiée dans la revue La nature et marque un grand pas vers la création d’un système pour étudier ces types de transitions entre les états de la matière au niveau quantique, un objectif longtemps recherché dans le domaine.

“C’est juste à la frontière de la matière du passage d’un matériau partiellement quantique à un matériau partiellement classique et présente de nombreux phénomènes et propriétés inhabituels et intéressants”, a déclaré Eugene Demler, auteur principal de l’article. « Le cristal lui-même a été vu, mais cette sorte de transition immaculée – lorsque la mécanique quantique et les interactions classiques se font concurrence – n’a pas été vue. Cela a pris 86 ans.

Dirigée par Park et Demler, l’équipe de recherche s’est concentrée sur l’observation des cristaux de Wigner et de leurs transitions de phase dans l’étude. En chimie, physique et thermodynamique, les transitions de phase se produisent lorsqu’une substance passe d’un état solide, liquide ou gazeux à un état différent. Lorsque les fluctuations quantiques près zéro absolu la température pilote ces transitions, on les appelle transitions de phase quantiques. On pense que ces transitions quantiques jouent un rôle important dans de nombreux systèmes quantiques.

Dans le cas d’un cristal de Wigner, la transition cristal-liquide résulte d’une compétition entre les aspects classiques et quantiques des électrons – le premier dominant dans la phase solide, dans laquelle les électrons sont « semblables à des particules », et le second dominant dans le liquide, dans lequel les électrons sont “onduleux”. Pour un seul électron, la mécanique quantique nous dit que la nature particulaire et ondulatoire sont complémentaires.

“Il est frappant de constater que, dans un système de nombreux électrons en interaction, ces différents comportements se manifestent dans des phases distinctes de la matière”, a déclaré Park. « Pour ces raisons, la nature de la transition électronique solide-liquide a suscité un énorme intérêt théorique et expérimental. »

Les scientifiques de Harvard rapportent avoir utilisé une nouvelle technique expérimentale développée par You Zhou, Jiho Sung et Elise Brutschea – chercheurs du Park Research Group et auteurs principaux de l’article – pour observer cette transition solide à liquide dans des bicouches semi-conductrices atomiquement minces. En général, la cristallisation de Wigner nécessite une très faible densité électronique, faisant de sa réalisation expérimentale un défi expérimental majeur. En construisant deux couches d’électrons en interaction à partir de deux semi-conducteurs atomiquement minces, les expérimentateurs ont créé une situation dans laquelle la cristallisation est stabilisée à des densités plus élevées.

Pour voir la transition, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée spectroscopie d’excitons. Ils utilisent la lumière pour exciter un électron dans le système et le lier à la lacune électronique, ou trou, qu’il laisse derrière lui, formant une paire électron-trou de type hydrogène connue sous le nom d’exciton. Cette paire interagit avec les autres électrons du matériau et modifie ses propriétés pour qu’ils soient visibles optiquement.

Les résultats de l’article étaient en grande partie accidentels et ont été une surprise, selon les chercheurs. Le groupe Park s’est d’abord engagé dans une direction différente et a été perplexe lorsqu’il a remarqué que les électrons de leur matériau affichaient un comportement isolant. Ils ont consulté des théoriciens du laboratoire de Demler et ont vite compris ce qu’ils avaient.

Les chercheurs prévoient d’utiliser leur nouvelle méthode pour continuer à étudier d’autres transitions de phase quantiques.

« Nous avons maintenant une plate-forme expérimentale où tous ces [different quantum phase transition] les prédictions peuvent maintenant être testées », a déclaré Demler.

Référence : « Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure » par You Zhou, Jiho Sung, Elise Brutschea, Ilya Esterlis, Yao Wang, Giovanni Scuri, Ryan J. Gelly, Hoseok Heo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Gergely Zaránd, Mikhail D. Lukin, Philip Kim, Eugene Demler et Hongkun Park, 30 juin 2021, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-021-03560-w

Financement : Département américain de la Défense, US Air Force, Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force, US Department of EnergyUMD | A. James Clark School of Engineering, National Science Foundation

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