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Jun 11, 2023

Des physiciens créent un nouvel état exotique de la matière : un isolant bosonique corrélé

C’est la première fois qu’un cristal hautement ordonné de particules bosoniques appelées excitons est créé dans un système de matière réelle – par opposition à un système de matière synthétique. Xiong et coll. observé un isolant corrélé

C’est la première fois qu’un cristal hautement ordonné de particules bosoniques appelées excitons est créé dans un système de matière réelle – par opposition à un système de matière synthétique.

Xiong et coll. observé un isolant corrélé d'excitons intercouches dans une bicouche constituée de diséléniure de tungstène, qui abritait des trous, et de disulfure de tungstène, qui abritait des électrons. Crédit image : Xiong et al., doi : 10.1126/science.add5574.

Les particules subatomiques se répartissent en deux grands types : les fermions et les bosons. L'une des plus grandes différences réside dans leur comportement.

Les bosons peuvent occuper le même niveau d’énergie ; les fermions n'aiment pas rester ensemble. Ensemble, ces comportements construisent l’Univers tel que nous le connaissons.

Les fermions, tels que les électrons, sont à la base de la matière qui nous est la plus familière car ils sont stables et interagissent via la force électrostatique.

Pendant ce temps, les bosons, tels que les photons, ont tendance à être plus difficiles à créer ou à manipuler car ils sont éphémères ou n'interagissent pas les uns avec les autres.

"Un indice de leurs comportements distincts réside dans leurs différentes caractéristiques mécaniques quantiques", a déclaré le premier auteur Richen Xiong, étudiant diplômé à l'Université de Californie à Santa Barbara.

"Les fermions ont des spins demi-entiers tels que 1/2 ou 3/2, etc., tandis que les bosons ont des spins entiers entiers (1, 2, etc.)."

"Un exciton est un état dans lequel un électron chargé négativement (fermion) est lié à son trou opposé chargé positivement (un autre fermion), les deux demi-entiers tournant ensemble devenant un entier entier, créant une particule bosonique."

Pour créer et identifier des excitons dans leur système, Xiong et ses collègues ont superposé les deux réseaux et les ont soumis à de fortes lumières selon une méthode qu'ils appellent spectroscopie pompe-sonde.

La combinaison des particules de chacun des réseaux (les électrons du disulfure de tungstène et les trous du diséléniure de tungstène) et la lumière ont créé un environnement favorable à la formation et aux interactions entre les excitons tout en permettant aux chercheurs de sonder le comportement de ces particules.

"Et lorsque ces excitons atteignaient une certaine densité, ils ne pouvaient plus bouger", a déclaré l'auteur principal, le Dr Chenhao Jin, physicien à l'Université de Californie à Santa Barbara.

Grâce à de fortes interactions, les comportements collectifs de ces particules à une certaine densité les ont contraintes à un état cristallin, et ont créé un effet isolant du fait de leur immobilité.

"Ce qui s'est passé ici, c'est que nous avons découvert la corrélation qui a conduit les bosons dans un état hautement ordonné", a déclaré Xiong.

Généralement, une collection lâche de bosons soumis à des températures ultra-froides formera un condensat, mais dans ce système, avec à la fois une densité et une interaction légères et accrues à des températures relativement plus élevées, ils se sont organisés en un isolant solide symétrique et neutre en charge.

La création de cet état exotique de la matière prouve que la plateforme de moiré et la spectroscopie pompe-sonde des chercheurs pourraient devenir un moyen important pour créer et étudier les matériaux bosoniques.

"Il existe des phases à plusieurs corps avec des fermions qui aboutissent à des choses comme la supraconductivité", a expliqué Xiong.

"Il existe également des homologues à plusieurs corps avec des bosons qui sont également des phases exotiques."

"Nous avons donc créé une plate-forme, car nous ne disposions pas vraiment d'un excellent moyen d'étudier les bosons dans des matériaux réels."

"Bien que les excitons soient bien étudiés, jusqu'à ce projet, il n'existait pas de moyen de les inciter à interagir fortement les uns avec les autres."

Avec la méthode de l'équipe, il pourrait être possible non seulement d'étudier des particules bosoniques bien connues comme les excitons, mais également d'ouvrir davantage de fenêtres sur le monde de la matière condensée avec de nouveaux matériaux bosoniques.

"Nous savons que certains matériaux ont des propriétés très bizarres", a déclaré le Dr Jin.

"Et l'un des objectifs de la physique de la matière condensée est de comprendre pourquoi elle possède ces riches propriétés et de trouver des moyens de rendre ces comportements plus fiables."

Le travail paraît dans la revue Science.