Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont découvert des électrons formant des tourbillons – ou vortex – un comportement semblable à celui des fluides qui a été observé pour la première fois. Si cette nature des électrons avait déjà été prédite, elle n’avait jamais été observée auparavant. Selon les chercheurs, le comportement des électrons – où la dissipation d’énergie diminue lorsqu’ils entrent dans l’état fluide – pourrait être utilisé pour l’électronique à faible puissance avec une efficacité accrue.
Les molécules d’eau circulent collectivement en tant que liquides sous forme de tourbillons, de ruisseaux, de vagues et autres. L’électricité aussi est constituée de particules distinctes appelées électrons. Mais la nature collective des électrons est difficile à percevoir car elle est influencée lorsqu’elle traverse des métaux ordinaires. Les électrons peuvent toutefois circuler comme un fluide dans certains métaux et dans des conditions spécifiques.
“Les tourbillons d’électrons sont attendus en théorie, mais il n’y a pas eu de preuve directe, et voir c’est croire. Maintenant nous l’avons vu, et c’est un signe clair que nous sommes dans ce nouveau régime, où les électrons se comportent comme un fluide, et non comme des particules individuelles”, a déclaré Leonid Levitov, professeur de physique au MIT et co-auteur de la nouvelle étude publiée dans Nature.
Levitov a ajouté que la dissipation d’énergie diminue lorsque les électrons passent à l’état fluide. Et cela, selon Levitov, peut être utile pour concevoir des appareils électroniques à faible puissance.
Théoriquement, lorsque l’électricité traverse les métaux et les semi-conducteurs, les moments et les trajectoires des électrons sont influencés par les impuretés du métal et les vibrations entre les atomes du matériau.
Pour observer les électrons formant des tourbillons, l’équipe de chercheurs a utilisé le ditelluride de tungstène (WTe2). Il s’agit d’un composé métallique ultra-poreux qui présente des propriétés électroniques exotiques lorsqu’il est isolé sous une forme bidimensionnelle 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. En outre, le matériau est très propre, ce qui rend le comportement de type fluide directement accessible”, a expliqué M. Levitov.
Dans leur expérience, les chercheurs ont développé des monocristaux purs et des paillettes exfoliées du matériau tungstène. Ils ont ensuite modelé chaque flocon en un canal central relié à une chambre circulaire de chaque côté en utilisant des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure au plasma. Le même motif a également été gravé dans de fines paillettes d’or.
Les scientifiques ont ensuite fait passer un courant électrique à travers le motif à des températures ultra-basses et ont mesuré le flux de courant à des points spécifiques. Ils ont constaté que les électrons circulaient dans les canaux du motif dans les paillettes d’or sans inverser le sens, tandis que les électrons dans le matériau en tungstène circulaient dans des canaux et formaient des tourbillons.
“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 un signe clair que les électrons sont dans un régime de type fluide”, a déclaré Levitov.
