Les physiciens prouvent l’existence d’une nouvelle forme de matière : La physique de l’excitonium

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Une nouvelle recherche menée par un physicien de l’Université de l’Illinois a prouvé l’existence d’une nouvelle forme de matière : l’excitonium, un cristal solide d’excitons. Ces recherches, menées par le professeur Peter Abbamonte, sont publiées dans le numéro du 8 décembre de la revue “The Journal”. Science.

Représentation artistique des excitons collectifs d'un solide excitonique. Ces excitations peuvent être considérées comme des murs de domaine qui se propagent (jaune) dans un fond d'exciton solide autrement ordonné (bleu). Crédit image : Peter Abbamonte, Université de l'Illinois.

Représentation artistique des excitons collectifs d’un solide excitonique. Ces excitations peuvent être considérées comme des murs de domaine qui se propagent (jaune) dans un fond d’exciton solide autrement ordonné (bleu). Crédit image : Peter Abbamonte, Université de l’Illinois.

L’excitonium est un condensat – il présente des phénomènes quantiques macroscopiques, comme un supraconducteur, un superfluide ou un cristal électronique isolant.

Il est composé d’excitons, des particules qui sont formées dans une paire mécanique quantique très étrange, à savoir celle d’un électron échappé et du trou qu’il a laissé derrière lui.

Cela défie la raison, mais il s’avère que lorsqu’un électron, situé au bord d’une bande de valence encombrée d’électrons dans un semi-conducteur, est excité et saute par-dessus la bande d’énergie pour rejoindre la bande de conduction autrement vide, il laisse derrière lui un “trou” dans la bande de valence.

Ce trou se comporte comme s’il s’agissait d’une particule de charge positive, et il attire l’électron échappé. Lorsque l’électron échappé, avec sa charge négative, s’apparie avec le trou, les deux forment remarquablement une particule composite, un boson, un exciton.

En fait, les attributs particulaires du trou sont attribuables au comportement collectif de la foule d’électrons qui l’entoure.

“Notre résultat a une signification cosmique. Depuis que le terme ‘excitonium’ a été inventé en 1968 par Bert Halperin, physicien théoricien de Harvard, les physiciens ont cherché à démontrer son existence”, a déclaré le professeur Abbamonte.

“Les théoriciens ont débattu pour savoir s’il s’agirait d’un isolant, d’un conducteur parfait ou d’un superfluide – avec des arguments convaincants dans tous les camps.”

“Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l’existence de l’excitonium, mais leurs résultats n’étaient pas des preuves définitives et auraient tout aussi bien pu être expliqués par une transition de phase structurelle classique.”

Le professeur Abbamonte et ses co-auteurs de l’université de l’Illinois, de l’université d’Amsterdam aux Pays-Bas et de l’université d’Oxford au Royaume-Uni ont étudié des cristaux non dopés du dichalcogénure de titane, un métal de transition (1).T-TiSe2) et ont reproduit leurs résultats surprenants à cinq reprises sur différents cristaux clivés.

“Jusqu’à présent, les physiciens ne disposaient pas des outils expérimentaux permettant de distinguer de manière positive si ce qui ressemblait à de l’excitonium n’était pas en fait une phase de Peierls”, ont-ils expliqué.

“Bien qu’elle ne soit absolument pas liée à la formation d’exciton, les phases de Peierls et la condensation d’exciton partagent la même symétrie et des observables similaires – un super-réseau et l’ouverture d’une lacune énergétique à une seule particule.”

L’équipe a pu surmonter ce défi en utilisant une nouvelle technique qu’elle a développée, appelée spectroscopie de perte d’énergie des électrons résolue en fonction du moment.

“Avec cette nouvelle technique, nous avons pu pour la première fois mesurer les excitations collectives des particules bosoniques de faible énergie, les électrons et les trous appariés, indépendamment de leur momentum”, ont déclaré les auteurs.

“Plus précisément, nous avons réalisé la toute première observation, dans n’importe quel matériau, du précurseur de la condensation des excitons, une phase plasmonique douce qui est apparue lorsque le matériau s’est approché de sa température critique de 190 Kelvin.”

“Cette phase plasmonique molle est la preuve irréfutable de la condensation des excitons dans un solide 3D et la toute première preuve définitive de la découverte de l’excitonium.”

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