Des physiciens découvrent une forme de cristal unique où les électrons sont immobilisés

Dans le domaine de la physique quantique, les chercheurs repoussent sans cesse les limites de notre compréhension, s’aventurant dans des territoires inexplorés de la matière et de ses propriétés intrinsèques. La dernière découverte, publiée dans Nature Physics, provient d’une équipe de l’université Rice, où une expérience innovante a révélé un état particulier de la matière dans une structure cristalline tridimensionnelle connue sous le nom de pyrochlore. 

Dévoiler le paysage quantique

Les physiciens de l’université Rice se sont lancés dans une quête pour explorer la frontière des nouveaux matériaux, en cherchant à découvrir des états de la matière qui révèlent les caractéristiques non conventionnelles des électrons. Traditionnellement, le comportement des électrons dans les matériaux était compris dans le domaine des deux dimensions.

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Cependant, la récente expérience de l’équipe a permis d’étendre cette compréhension à trois dimensions, montrant comment les électrons peuvent être contraints d’une manière que l’on croyait impossible. Les électrons, particules subatomiques qui bourdonnent autour du noyau d’un atome, sont connus pour leur double nature, agissant à la fois comme des particules et des ondes. 

Leur comportement ondulatoire est particulièrement intrigant. Il permet toute une série de phénomènes, depuis l’étrange capacité d’exister dans plusieurs états simultanément jusqu’à leur capacité à former des états enchevêtrés, qui sont essentiels au développement de l’informatique quantique et des matériaux énergétiques à haute performance tels que les supraconducteurs.

Une nouvelle phase de la matière

L’expérience menée par l’équipe a révélé une nouvelle phase de la matière dans le cristal de pyrochlore, une structure qui suscite depuis longtemps l’intérêt en raison de sa nature complexe et polyvalente. Les pyrochlores sont connus pour leurs propriétés uniques, qui les rendent aptes à une variété d’applications, de l’informatique quantique à la recherche en science des matériaux. 

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Les chercheurs ont créé un pyrochlore en utilisant un mélange sophistiqué de cuivre, de vanadium et de soufre, créant ainsi un matériau où les électrons, au lieu de circuler librement, sont bloqués dans un état stationnaire. 

En utilisant des techniques avancées telles que la spectroscopie de photoémission résolue en angle, les scientifiques ont pu mesurer l’énergie et la quantité de mouvement des électrons dans le réseau 3D, prouvant ainsi que ces deux paramètres ne dépendaient pas l’un de l’autre.

Implications pour la recherche future

Les implications de cette recherche sont profondes et offrent une nouvelle perspective sur la façon dont les matériaux peuvent être conçus pour présenter des propriétés exotiques. Le concept de bande plate est particulièrement intéressant, car il suggère qu’il est possible d’enfermer les électrons de manière à modifier leurs interactions habituelles, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux types d’appareils électroniques, de matériaux magnétiques, voire de supraconducteurs.

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Bien que des électrons localisés identiques aient été observés dans des matériaux 2D appelés réseaux de Kagomé, une preuve de concept pour une nouvelle classe de matériaux pourrait être apportée par l’apparition d’une bande plate causée par des ondes interférentes passant à travers un réseau 3D.

Selon le physicien Qimiao Si de l’université Rice, le pyrochlore n’est pas la seule substance utilisable. Grâce à cette nouvelle approche de conception, les théoriciens peuvent désormais prévoir des matériaux dans lesquels des bandes plates se développent en raison des interactions élevées entre les électrons.