Matière exotique découverte : des physiciens tombent sur un matériau composé de bosons

Par University of California - Santa Barbara11 juin 2023

Les scientifiques ont découvert un nouvel état de la matière, appelé « isolant corrélé bosonique », grâce à l’interaction de particules bosoniques appelées excitons. Ces recherches pourraient ouvrir la voie à de nouvelles connaissances en physique de la matière condensée et à la création de nouveaux matériaux bosoniques.

Les chercheurs ont découvert un nouvel état de la matière, qu’ils appellent un « isolant corrélé bosonique », un assemblage cristallin de particules bosoniques, en particulier d’excitons.

Prenez un treillis – une section plate d’une grille de cellules uniformes, comme une moustiquaire ou un nid d’abeilles – et posez un autre treillis similaire au-dessus. Mais au lieu d’essayer d’aligner les bords ou les cellules des deux réseaux, tournez la grille supérieure afin que vous puissiez voir des parties de la grille inférieure à travers elle. Ce nouveau troisième motif est un moiré, et c'est entre ce type d'agencement superposé de réseaux de diséléniure de tungstène et de disulfure de tungstène que les physiciens de l'UC Santa Barbara ont découvert des comportements de matériaux intéressants.

"Nous avons découvert un nouvel état de la matière - un isolant bosonique corrélé", a déclaré Richen Xiong, étudiant chercheur diplômé dans le groupe du physicien de la matière condensée de l'UCSB, Chenhao Jin, et auteur principal d'un article dans la revue Science. Selon Xiong, Jin et des collaborateurs de l'UCSB, de l'Arizona State University et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, c'est la première fois qu'un tel matériau est créé dans un système de matière « réelle » (par opposition à synthétique). Le matériau unique est un cristal hautement ordonné de particules bosoniques appelées excitons.

"Conventionnellement, les gens ont consacré la plupart de leurs efforts à comprendre ce qui se passe lorsque vous assemblez plusieurs fermions", a déclaré Jin. "L'objectif principal de notre travail est de créer un nouveau matériau à partir de bosons en interaction."

Deux empilés dont un légèrement décalé créent un nouveau motif appelé moiré. Crédit : Matt Perko

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

« Les bosons peuvent occuper le même niveau d’énergie ; les fermions n'aiment pas rester ensemble », a-t-il déclaré. « 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. Parallèlement, les bosons, tels que les photons (particules de lumière), 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 expliqué Xiong. Les fermions ont des « spins » demi-entiers tels que 1/2 ou 3/2, tandis que les bosons ont des spins entiers (1, 2, etc.). Un exciton est un état dans lequel un électron chargé négativement (un 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.

Le Jin Lab, de gauche à droite : Tian Xie, Richen Xiong, Chenhao Jin, Samuel L. Brantly. CréditSonia Fernandez

Pour créer et identifier des excitons dans leur système, les chercheurs 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 Jin. 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 ajouté 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.