Des physiciens observent pour la première fois des tourbillons d’électrons

Une équipe du Massachusetts Institute of Technology a pu observer pour la première fois des « tourbillons d’électrons », phénomènes étranges impliquant que l’électricité se comporte comme un fluide.

Quand l’électricité se comporte comme l’eau

Comme l’eau, l’électricité est composée de particules minuscules. Par conséquent, on pourrait s’attendre à ce qu’elles s’écoulent toutes deux de manière similaire. Mais alors que les molécules de la première s’avèrent suffisamment massives pour s’entrechoquer et converger, les électrons se révèlent beaucoup plus petits, ce qui signifie qu’ils sont davantage influencés par leur environnement que par leurs homologues.

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Toutefois, il avait été prédit que dans des conditions idéales (à des températures proches du zéro absolu et dans des matériaux purs et sans défaut) les effets quantiques devraient contrôler leur mouvement et leur permettre de s’écouler comme un fluide électronique ayant une viscosité semblable à celle du miel. Parvenir à exploiter ce phénomène ouvrirait la voie à des dispositifs électroniques plus efficaces où l’électricité circulerait avec moins de résistance.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, des chercheurs du MIT ont observé un signe clair d’un fluide électronique : des tourbillons d’électrons, repérés dans des cristaux de ditelluride de tungstène. « Il s’agit de l’un des nouveaux matériaux quantiques où les électrons interagissent fortement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules », détaille Leonid Levitov, co-auteur de la nouvelle étude.

Physicists see electron whirlpools for the first time: "Electron vortices are expected in theory, but there’s been no direct proof, and seeing is believing," says @MIT_Physics professor Leonid Levitov https://t.co/aWB3zrUBqL pic.twitter.com/cy5RKbOILc

— MIT Science (@ScienceMIT) July 6, 2022

Des expériences révélatrices

Après avoir gravé un mince canal (relié à des chambres circulaires situées de part et d’autre) dans le ditelluride de tungstène, l’équipe a fait passer un courant à travers celui-ci et a mesuré le flux d’électrons. Alors que dans les matériaux standard, comme l’or, les électrons circulaient toujours dans la même direction générale, dans le ditelluride de tungstène, ceux-ci créaient de petits tourbillons dans les chambres circulaires, inversant leur direction, avant de revenir dans le canal principal.

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« La direction du flux s’est inversée par rapport à celle de la bande centrale », explique Levitov. « C’est la même physique que celle des fluides ordinaires, mais qui se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. »

Selon l’équipe, la confirmation de l’existence d’un tel phénomène ouvre la voie au développement d’appareils électroniques basse consommation nettement plus performants.