La découverte d’une « particule démoniaque » résout un mystère vieux de 67 ans

Alors qu’ils cherchaient à percer les secrets des supraconducteurs, des scientifiques ont découvert une particule étrange théorisée il y a des décennies, mais jamais observée expérimentalement.

Un plasmon longtemps insaisissable

Lorsque les électrons se déplacent dans les solides, leurs interactions peuvent former des quasiparticules, incluant les plasmons, liés aux oscillations du plasma. Si ces derniers étaient supposés ne pas apparaître à température ambiante, en raison de niveaux d’énergie inadéquats, en 1956, le physicien David Pines avait prédit une exception à la règle : le regroupement déphasé d’électrons dans plusieurs bandes d’énergie, formant un plasmon sans masse ni charge.

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Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, des chercheurs des universités de l’Illinois et de Kyoto ont accidentellement réalisé les premières détections directes du « démon de Pines », dans un métal étrange. Connu sous le nom de ruthénate de strontium, celui-ci présente certaines propriétés propres aux supraconducteurs à haute température, bien qu’il ne soit pas considéré comme tel.

Afin de les sonder, l’équipe a utilisé un type de spectroscopie impliquant le « bombardement » du matériau à l’aide d’électrons, également à même de révéler la présence des quasiparticules susceptibles de se former suite à leurs interactions, qui incluaient dans ce cas un plasmon inhabituel.

Des caractéristiques correspondant étroitement à celles énoncées il y a près de 70 ans

Pour établir précisément sa nature, l’équipe a minutieusement exploré la structure électronique du ruthénate de strontium, confirmant qu’il s’agissait de la particule démoniaque sans masse ni charge, théorisée 67 ans plus tôt.

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« Nous avons dû effectuer un calcul microscopique pour clarifier ce qui se passait », souligne Edwin Huang, co-auteur de la nouvelle étude. « Il s’est avéré que la particule en question était constituée de deux bandes d’électrons oscillant de manière déphasée avec une amplitude presque égale, exactement comme l’avait prédit Pines. »

Selon les chercheurs, il est probable que de telles particules jouent un rôle clé dans le comportement électronique d’une large gamme de métaux.