Une équipe internationale de physiciens a observé des électrons circulant dans des tourbillons – une caractéristique de l’écoulement des fluides que les théoriciens avaient prédit que les électrons devaient présenter, mais qui n’avait jamais été observée jusqu’à présent.
Les tourbillons d’électrons pourraient être exploités pour la prochaine génération d’électronique à faible puissance. Crédit image : Christine Daniloff, MIT.
Lorsque l’électricité traverse la plupart des métaux et semi-conducteurs ordinaires, les moments et les trajectoires des électrons dans le courant sont influencés par les impuretés du matériau et les vibrations entre les atomes du matériau. Ces processus dominent le comportement des électrons dans les matériaux ordinaires.
Mais les physiciens théoriques ont prédit qu’en l’absence de ces processus ordinaires et classiques, les effets quantiques devraient prendre le dessus.
En d’autres termes, les électrons devraient capter le comportement quantique délicat des autres et se déplacer collectivement, comme un fluide électronique visqueux, semblable à du miel.
Ce comportement liquide devrait apparaître dans des matériaux ultra-propres et à des températures proches de zéro.
En 2017, le professeur du MIT Leonid Levitov et ses collègues de l’Université de Manchester ont signalé des signatures d’un tel comportement d’électrons de type fluide dans le graphène.
Ils ont observé qu’un courant envoyé dans le canal pouvait traverser les constrictions avec peu de résistance. Cela suggère que les électrons du courant étaient capables de se presser collectivement à travers les points de pincement, un peu comme un fluide, plutôt que de se bloquer, comme des grains de sable individuels.
Dans une nouvelle étude, le professeur Levitov et des physiciens de l’Institut Weizmann des Sciences ont cherché à visualiser les tourbillons d’électrons.
Ils se sont concentrés sur le ditelluride de tungstène (WTe2), un composé métallique ultra-propre qui présente des propriétés électroniques exotiques lorsqu’il est isolé sous forme de 2D à un seul atome.
“Le ditelluride de tungstène est l’un des nouveaux matériaux quantiques où les électrons interagissent fortement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules”, a déclaré le professeur Levitov.
“De plus, le matériau est très propre, ce qui rend le comportement de type fluide directement accessible”.
Les chercheurs ont synthétisé des monocristaux purs de ditelluride de tungstène, et ont exfolié de fines paillettes du matériau.
Ils ont ensuite utilisé des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure au plasma pour modeler chaque paillette en un canal central relié à une chambre circulaire de chaque côté.
Ils ont gravé le même motif dans de fines paillettes d’or – un métal standard aux propriétés électroniques ordinaires et classiques.
Ils ont ensuite fait passer un courant à travers chaque échantillon dessiné à des températures ultra-basses de 4,5 K et ont mesuré le flux de courant à des points spécifiques de chaque échantillon, en utilisant un dispositif d’interférence quantique supraconducteur (SQUID) à l’échelle nanométrique sur une pointe.
En utilisant le dispositif pour balayer chaque échantillon, ils ont pu observer en détail comment les électrons circulaient dans les canaux structurés de chaque matériau.
Les auteurs ont observé que les électrons circulant dans les canaux structurés des paillettes d’or le faisaient sans inverser le sens, même lorsqu’une partie du courant passait par chaque chambre latérale avant de rejoindre le courant principal.
En revanche, les électrons circulant dans le ditelluride de tungstène ont traversé le canal et ont tourbillonné dans chaque chambre latérale, un peu comme l’eau qui se vide dans un bol.
Les électrons ont créé de petits tourbillons dans chaque chambre avant de retourner dans le canal principal.
“Nous avons observé un changement dans la direction du flux dans les chambres, où la direction du flux s’est inversée par rapport à celle de la bande centrale”, a déclaré le professeur Levitov.
“C’est une chose très frappante, et c’est la même physique que celle des fluides ordinaires, mais qui se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une signature claire des électrons qui sont dans un régime de type fluide.”
Les résultats sont publiés aujourd’hui dans le journal Nature.
