L'excitonie insaisissable, dont l'existence n'a pu être prouvée expérimentalement pendant près d'un demi-siècle, s'est finalement montrée aux chercheurs. Cela est rapporté dans un article publié par une équipe de recherche dirigée par Peter Abbamonte dans la revue Science.
Rappelons-le en quelques mots. Il est pratique de décrire le mouvement des électrons dans un semi-conducteur en utilisant le concept d'un trou - un endroit où un électron est absent. Le trou, bien sûr, n'est pas une particule telle qu'un électron ou un proton. Cependant, il se comporte comme une particule à bien des égards. Par exemple, vous pouvez décrire son mouvement et considérer qu'il porte une charge électrique positive. Par conséquent, les objets tels qu'un trou sont appelés quasiparticules par les physiciens.
Il existe d'autres quasiparticules en mécanique quantique. Par exemple, une paire de Cooper: un duo d'électrons se déplaçant dans son ensemble. Il existe également une quasiparticule d'exciton, qui est une paire d'électrons et de trous.
Les excitons ont été théoriquement prédits dans les années 1930. Beaucoup plus tard, ils ont été découverts expérimentalement. Cependant, un état de la matière appelé excitonie n'a jamais été observé.
Expliquons de quoi nous parlons. Les particules réelles et les quasi-particules sont divisées en deux grandes classes: les fermions et les bosons. Les premiers comprennent, par exemple, les protons, les électrons et les neutrons, les seconds - les photons.
Les fermions obéissent à une loi physique connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli: deux fermions dans le même système quantique (par exemple, deux électrons dans un atome) ne peuvent pas être dans le même état. D'ailleurs, c'est grâce à cette loi que les électrons de l'atome occupent des orbitales différentes, et ne sont pas rassemblés par toute la foule au niveau d'énergie inférieur le plus "convenable". C'est donc précisément à cause du principe de Pauli que les propriétés chimiques des éléments du tableau périodique sont telles que nous les connaissons.
L'interdiction de Pauli ne s'applique pas aux bosons. Par conséquent, s'il est possible de créer un système quantique unifié à partir de nombreux bosons (en règle générale, cela nécessite une température extrêmement basse), alors toute l'entreprise s'accumule joyeusement dans l'état avec la plus faible énergie.
Un tel système est parfois appelé un condensat de Bose. Son cas particulier est le fameux condensat de Bose-Einstein, où des atomes entiers agissent comme des bosons (nous avons également écrit sur ce phénomène remarquable). Pour sa découverte expérimentale, le prix Nobel de physique 2001 a été décerné.
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La quasiparticule de deux électrons mentionnée ci-dessus (paire de Cooper) n'est pas un fermion, mais un boson. La formation massive de telles paires conduit à un phénomène aussi remarquable que la supraconductivité. L'unification des fermions en une quasi-particule-boson doit son apparition à la superfluidité de l'hélium-3.
Les physiciens rêvent depuis longtemps d'obtenir un tel condensat de Bose dans un cristal tridimensionnel (et non dans un film mince), lorsque des électrons se combinent massivement avec des trous pour former des excitons. Après tout, les excitons sont aussi des bosons. C'est cet état de la matière que l'on appelle l'excitonie.
Il est extrêmement intéressant pour les scientifiques, comme tout état dans lequel les volumes macroscopiques de matière présentent des propriétés exotiques qui ne peuvent être expliquées qu'à l'aide de la mécanique quantique. Cependant, il n'a pas encore été possible d'obtenir cet état expérimentalement. Au contraire, il n'a pas été possible de prouver qu'il avait été reçu.
Le fait est qu'en termes de paramètres susceptibles d'être étudiés à l'aide de techniques existantes (par exemple, la structure d'un super-réseau), les excitonies sont indiscernables d'un autre état de la matière, connu sous le nom de phase de Peierls. Par conséquent, les scientifiques ne pouvaient pas dire avec certitude laquelle des deux conditions ils avaient réussi à obtenir.
Ce problème a été résolu par le groupe Abbamonte. Les chercheurs ont mis au point une technique expérimentale connue sous le nom de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS).
Au cours de ce type de recherche, les physiciens bombardent la matière d'électrons dont l'énergie se situe dans une plage étroite connue auparavant. Après avoir interagi avec l'échantillon, l'électron perd une partie de son énergie. En mesurant la quantité d'énergie perdue par certains électrons, les physiciens tirent des conclusions sur la substance à l'étude.
Les auteurs ont pu ajouter des informations à cette technique. Ils ont trouvé un moyen de mesurer non seulement le changement d'énergie d'un électron, mais aussi le changement de son élan. Ils ont nommé la nouvelle méthode M-EELS (le mot anglais pour momentum signifie «impulsion»).
Les scientifiques ont décidé de tester leur innovation sur des cristaux de dichalcogénure de titane dichlorohydraté (1T-TiSe2). À leur grande surprise, à des températures proches de moins 83 degrés Celsius, ils ont trouvé des signes évidents d'un état précédant la formation de l'excitonium - la soi-disant phase des plasmons mous. Les résultats ont été reproduits sur cinq cristaux différents.
«Ce résultat a une signification cosmique», a déclaré Abbamonte dans un communiqué de presse. «Depuis que le terme« excitation »a été inventé dans les années 1960 par le physicien théoricien de Harvard Bert Halperin, les physiciens ont tenté de démontrer son existence. Les théoriciens se sont demandé s'il s'agissait d'un isolant, d'un conducteur idéal ou d'un superfluide - avec des arguments convaincants de tous les côtés. Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l'existence de l'excitonie, mais leurs résultats n'étaient pas des preuves concluantes et ont été également attribués aux transitions de phase structurelles traditionnelles.
Il est trop tôt pour parler des applications de l'excitonium en technologie, mais la méthode mise au point par les scientifiques permettra d'étudier d'autres substances pour rechercher cet état exotique et étudier ses propriétés. À l'avenir, cela peut conduire à des avancées techniques importantes. Il suffit de rappeler, par exemple, que c'est la découverte de la supraconductivité qui a permis aux ingénieurs de créer des aimants super puissants. Et ils ont donné au monde à la fois le grand collisionneur de hadrons et les trains à grande vitesse. Et les effets quantiques sont également utilisés pour créer des ordinateurs quantiques. Même les ordinateurs les plus courants seraient impossibles si la mécanique quantique n'expliquait pas le comportement des électrons dans un semi-conducteur. Ainsi, la découverte fondamentale faite par l'équipe d'Abbamonte pourrait apporter les résultats technologiques les plus inattendus.
Anatoly Glyantsev
