Un cristal Wigner d’électrons (rouge) à l’intérieur d’un matériau semi-conducteur (bleu/gris). Crédit : ETH Zurich
Des chercheurs de l’ETH Zurich ont réussi à observer un cristal composé uniquement d’électrons. De tels cristaux de Wigner étaient déjà prédits il y a près de quatre-vingt-dix ans, mais ne pouvaient être observés directement que maintenant dans un matériau semi-conducteur.
Les cristaux ont fasciné les gens à travers les âges. Qui n’a jamais admiré les motifs complexes d’un flocon de neige ou les surfaces parfaitement symétriques d’un cristal de roche ? La magie ne s’arrête pas même si l’on sait que tout cela résulte d’un simple jeu d’attraction et de répulsion entre atomes et électrons. Une équipe de chercheurs dirigée par Ataç Imamoğlu, professeur à l’Institut d’électronique quantique de l’ETH Zurich, a maintenant produit un cristal très spécial. Contrairement aux cristaux normaux, il se compose exclusivement d’électrons. Ce faisant, ils ont confirmé une prédiction théorique qui a été faite il y a près de quatre-vingt-dix ans et qui a depuis été considérée comme une sorte de Saint Graal de la physique de la matière condensée. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique La nature.
Une prédiction vieille de plusieurs décennies
« Ce qui nous a enthousiasmés par ce problème, c’est sa simplicité », explique Imamoğlu. Déjà en 1934, Eugene Wigner, l’un des fondateurs de la théorie des symétries en mécanique quantique, montrait que les électrons d’un matériau pouvaient théoriquement s’organiser en motifs réguliers, semblables à des cristaux, en raison de leur répulsion électrique mutuelle. Le raisonnement derrière cela est assez simple : si l’énergie de la répulsion électrique entre les électrons est plus grande que leur énergie de mouvement, ils s’arrangeront de telle sorte que leur énergie totale soit aussi petite que possible.
Pendant plusieurs décennies, cependant, cette prédiction est restée purement théorique, car ces «cristaux de Wigner» ne peuvent se former que dans des conditions extrêmes telles que des températures basses et un très petit nombre d’électrons libres dans le matériau. C’est en partie parce que les électrons sont plusieurs milliers de fois plus légers que les atomes, ce qui signifie que leur énergie de mouvement dans un arrangement régulier est généralement beaucoup plus grande que l’énergie électrostatique en raison de l’interaction entre les électrons.
Des électrons dans un avion
Pour surmonter ces obstacles, Imamoğlu et ses collaborateurs ont choisi une couche ultra-fine du matériau semi-conducteur diséléniure de molybdène qui n’est qu’un atome épais et dans lequel, par conséquent, les électrons ne peuvent se déplacer que dans un plan. Les chercheurs ont pu faire varier le nombre d’électrons libres en appliquant une tension à deux transparents graphène électrodes, entre lesquelles le semi-conducteur est pris en sandwich. D’après des considérations théoriques, les propriétés électriques du diséléniure de molybdène devraient favoriser la formation d’un cristal de Wigner – à condition que l’ensemble de l’appareil soit refroidi à quelques degrés au-dessus de la zéro absolu de moins 273,15 degrés Celsius.
Les électrons dans un matériau se comportent généralement comme un liquide désordonné (à gauche), mais peuvent former un cristal de Wigner régulier (à droite) dans des conditions particulières. Crédit : ETH Zurich
Cependant, produire un cristal de Wigner ne suffit pas. « Le problème suivant était de démontrer que nous avions effectivement des cristaux de Wigner dans notre appareil », explique Tomasz Smoleński, qui est l’auteur principal de la publication et travaille en tant que post-doctorant dans le laboratoire d’Imamoğlu. La séparation entre les électrons a été calculée à environ 20 nanomètres, soit environ trente fois plus petite que la longueur d’onde de la lumière visible et donc impossible à résoudre même avec les meilleurs microscopes.
Détection par excitons
À l’aide d’une astuce, les physiciens ont réussi à rendre visible la disposition régulière des électrons malgré cette petite séparation dans le réseau cristallin. Pour ce faire, ils ont utilisé une lumière d’une fréquence particulière pour exciter ce qu’on appelle des excitons dans la couche semi-conductrice. Les excitons sont des paires d’électrons et de « trous » qui résultent d’un électron manquant dans un niveau d’énergie du matériau. La fréquence précise de la lumière pour la création de tels excitons et la vitesse à laquelle ils se déplacent dépendent à la fois des propriétés du matériau et de l’interaction avec d’autres électrons dans le matériau – avec un cristal de Wigner, par exemple.
L’arrangement périodique des électrons dans le cristal donne lieu à un effet que l’on peut parfois voir à la télévision. Lorsqu’un vélo ou une voiture va de plus en plus vite, au-delà d’une certaine vitesse, les roues semblent s’arrêter puis tourner dans le sens inverse. En effet, la caméra prend un instantané de la roue toutes les 40 millisecondes. Si pendant ce temps les rayons régulièrement espacés de la roue se sont déplacés exactement de la distance entre les rayons, la roue semble ne plus tourner. De même, en présence d’un cristal de Wigner, les excitons en mouvement apparaissent stationnaires à condition qu’ils se déplacent à une certaine vitesse déterminée par la séparation des électrons dans le réseau cristallin.
Première observation directe
“Un groupe de physiciens théoriciens dirigé par Eugene Demler de l’Université Harvard, qui déménage à l’ETH cette année, avait calculé théoriquement comment cet effet devrait apparaître dans les fréquences d’excitation observées des excitons – et c’est exactement ce que nous avons observé en laboratoire, ” dit Imamoglu. Contrairement aux expériences précédentes basées sur des semi-conducteurs planaires, dans lesquelles les cristaux de Wigner ont été observés indirectement par des mesures de courant, il s’agit d’une confirmation directe de la disposition régulière des électrons dans le cristal. À l’avenir, avec leur nouvelle méthode, Imamoğlu et ses collègues espèrent étudier exactement comment les cristaux de Wigner se forment à partir d’un « liquide » désordonné d’électrons.
Référence : « Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor » par Tomasz Smoleński, Pavel E. Dolgirev, Clemens Kuhlenkamp, Alexander Popert, Yuya Shimazaki, Patrick Back, Xiaobo Lu, Martin Kroner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ilya Esterlis, Eugene Demler et Ataç Imamoğlu, le 30 juin 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03590-4
