Des physiciens découvrent un matériau exotique composé de bosons

7 juin 2023

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par Sonia Fernandez, Université de Californie - Santa Barbara

Prenez un treillis - une section plate d'une grille de cellules uniformes, comme un écran de fenêtre ou un nid d'abeille - et posez un autre treillis similaire au-dessus. Mais au lieu d'essayer d'aligner les bords ou les cellules des deux réseaux, donnez une torsion à la grille supérieure afin que vous puissiez voir des parties de la grille inférieure à travers. Ce nouveau troisième motif est un moiré, et c'est entre ce type d'arrangement superposé de réseaux de diséléniure de tungstène et de disulfure de tungstène que les physiciens de l'UC Santa Barbara ont trouvé des comportements matériels intéressants.

"Nous avons découvert un nouvel état de la matière - un isolant corrélé bosonique", a déclaré Richen Xiong, étudiant diplômé chercheur dans le groupe du physicien de la matière condensée de l'UCSB Chenhao Jin, et auteur principal d'un article paru 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 - un cristal hautement ordonné de particules bosoniques appelées excitons - est créé dans un "vrai". (par opposition au système de matière synthétique).

"De manière conventionnelle, les gens ont consacré la plupart de leurs efforts à comprendre ce qui se passe lorsque vous assemblez de nombreux fermions", a déclaré Jin. "L'idée maîtresse de notre travail est que nous avons essentiellement créé un nouveau matériau à partir de bosons en interaction."

Les particules subatomiques appartiennent à l'un des deux grands types suivants : les fermions et les bosons. L'une des plus grandes distinctions 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 dit, "Ensemble, ces comportements construisent l'univers tel que nous le connaissons."

Les fermions, tels que les électrons, sous-tendent la matière que nous connaissons le mieux car ils sont stables et interagissent par la force électrostatique. Pendant ce temps, les bosons, tels que les photons (particules de lumière), ont tendance à être plus difficiles à créer ou à manipuler car ils sont fugaces 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 et cetera, tandis que les bosons ont des spins entiers 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 spins demi-entiers devenant ensemble un entier entier, créant une particule bosonique.

Pour créer et identifier des excitons dans leur système, les chercheurs ont superposé les deux réseaux et les ont éclairés de fortes lumières dans 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 les comportements de ces particules.

"Et lorsque ces excitons ont atteint une certaine densité, ils ne pouvaient plus bouger", a déclaré Jin. Grâce à des interactions fortes, les comportements collectifs de ces particules à une certaine densité les forçaient à un état cristallin, et créaient un effet isolant du fait de leur immobilité.

"Ce qui s'est passé ici, c'est que nous avons découvert la corrélation qui a poussé les bosons dans un état hautement ordonné", a ajouté Xiong. Généralement, une collection lâche de bosons sous des températures ultra-froides formera un condensat, mais dans ce système, avec à la fois une densité légère et accrue et une interaction à des températures relativement plus élevées, ils se sont organisés en un isolant solide symétrique et neutre en charge.

La création de cet état exotique de la matière prouve que la plateforme de moiré et la spectroscopie pompe-sonde des chercheurs pourraient devenir un moyen important pour créer et étudier les matériaux bosoniques.

"Il existe des phases à plusieurs corps avec des fermions qui entraînent des choses comme la supraconductivité", a déclaré Xiong. "Il existe également des homologues à plusieurs corps avec des bosons qui sont également des phases exotiques. Nous avons donc créé une plate-forme, car nous n'avions pas vraiment un excellent moyen d'étudier les bosons dans des matériaux réels." Bien que les excitons soient bien étudiés, a-t-il ajouté, jusqu'à ce projet, il n'y avait pas eu de moyen de les amener à interagir fortement les uns avec les autres.

Avec leur méthode, selon Jin, il pourrait être possible non seulement d'étudier des particules bosoniques bien connues comme les excitons, mais aussi d'ouvrir davantage de fenêtres sur le monde de la matière condensée avec de nouveaux matériaux bosoniques.

"Nous savons que certains matériaux ont des propriétés très bizarres", a-t-il déclaré. "Et l'un des objectifs de la physique de la matière condensée est de comprendre pourquoi ils ont ces propriétés riches et de trouver des moyens de faire ressortir ces comportements de manière plus fiable."

Plus d'information: Richen Xiong et al, Isolateur corrélé des excitons dans les super-réseaux moirés WSe 2 / WS 2 , Science (2023). DOI : 10.1126/science.add5574

Informations sur la revue :Science

Fourni par Université de Californie - Santa Barbara