Les scientifiques parviennent à mesurer des électrons de Dirac dans un matériau organique

Les électrons, éléments constitutifs fondamentaux de notre monde, viennent de révéler un comportement surprenant. Les scientifiques ont isolé une caractéristique unique où les électrons semblent se déplacer à des vitesses proches de la lumière d’une manière particulière : en incorporant une quatrième dimension.

Que sont les électrons de Dirac ?

Généralement, nous décrivons le monde qui nous entoure en trois dimensions spatiales : en longueur, en largeur et en hauteur. Cependant, dans le domaine de la mécanique quantique – domaine dans lequel évoluent les électrons – les choses deviennent un peu plus délicates. En mécanique quantique, les scientifiques utilisent l’équation de Dirac pour expliquer pleinement le comportement des électrons. Notons que l’équation de Dirac est une équation qui décrit le comportement des électrons, non pas comme de simples particules ponctuelles, mais comme des ondes étalées, tout en tenant compte de la théorie de la relativité.

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Ainsi, en utilisant l’équation de Dirac, les scientifiques peuvent intégrer le niveau d’énergie d’un électron comme quatrième dimension pour expliquer pleinement son comportement. Dans ce cas-là, les scientifiques parlent alors des électrons de Dirac. Notons que, jusqu’à présent, les chercheurs ont eu du mal à étudier les électrons de Dirac, dans la mesure où ils ont tendance à se mélanger avec d’autres types d’électrons, obscurcissant ainsi leurs caractéristiques distinctes.

Dans une nouvelle étude, des physiciens de l’université d’Ehime, au Japon, ont réussi à isoler ces électrons sans masse. Cela a permis de mettre en lumière les extraordinaires capacités des électrons de Dirac à être effectivement en apesanteur et à se déplacer à des vitesses comparables à celles des photons, atteignant potentiellement la vitesse de la lumière. Cette réalisation a nécessité la création de conditions 12 000 fois supérieures à la pression barométrique moyenne de la Terre, associées à un type spécifique de manipulation de rotation.

Une avancée importante

Plus précisément, les chercheurs ont exploité une propriété appelée résonance paramagnétique électronique ou résonance de spin électronique. Il faut savoir que les électrons sont des particules chargées qui tournent. Cette répartition tournante de la charge signifie que les électrons présentent chacun un dipôle magnétique. Ainsi, lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau, il peut interagir avec les spins (un spin étant une propriété interne des particules) de tous les électrons non appariés qui s’y trouvent, modifiant ainsi leur état de spin.

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Cette technique peut permettre aux physiciens de détecter et d’observer des électrons non appariés. Autrement dit, elle peut être utilisée pour observer directement le comportement des électrons de Dirac. Cette observation a notamment été réalisée dans un polymère supraconducteur appelé bis(éthylènedithio)-tétrathiafulvalène. Suite à cette observation, les chercheurs ont découvert que pour bien les comprendre, les électrons de Dirac doivent être décrits en quatre dimensions. En analysant les électrons de Dirac sur la base de ces dimensions, les chercheurs ont pu découvrir que leur vitesse de déplacement n’est pas constante, mais dépend plutôt de la température et de l’angle du champ magnétique à l’intérieur du matériau.

Cette découverte est importante, dans la mesure où cela permet de mieux comprendre les matériaux topologiques, des matériaux quantiques qui se comportent comme un isolant électronique à l’intérieur et un conducteur à l’extérieur. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Materials Advances.