20 août 2018 | La Revue POLYTECHNIQUE 05/2018 | Physique

Un matériau révèle de nouveaux états de la matière

Le comportement des électrons dans un matériau est généralement difficile à prévoir. En les remplaçant par des atomes neutres de lithium ultra froid qu’ils ont fait circuler dans un tube quantique unidimensionnel, des physiciens de l’Université de Genève, de l’EPFL et de l’EPFZ ont pu confirmer un état inhabituel de la matière, qui reste isolante quelle que soit le niveau d’attraction entre les particules.

En remplaçant les électrons par des atomes ultra froids, un groupe de physiciens a créé un matériau parfaitement propre qui révèle de nouveaux états de la matière au niveau quantique. Leurs travaux, à découvrir dans Physical Review X, ouvrent la voie à la recherche de nouveaux matériaux aux propriétés atypiques.

La difficulté de prédire les propriétés électroniques

Le fait qu’un matériau soit un métal ou un isolant dépend d’une série de détails microscopiques, tels que la force des interactions entre électrons, la présence d’impuretés ou d’obstacles, ou encore le nombre de dimensions à travers lesquelles les porteurs de charge peuvent se propager. Cette complexité rend très difficile la prédiction des propriétés électroniques d’un matériau donné.

En effet, si l’on sait parfaitement modéliser la trajectoire d’une particule dans le vide, on peine à le faire dans un matériau – un cristal par exemple –, où les électrons circulent entre des noyaux d’atomes chargés positivement. Ces noyaux génèrent un potentiel périodique, un peu comme une série de crêtes qui influerait sur le déplacement des électrons, compliquant les prédictions. Le matériau sera-t-il un métal ? Un isolant ? Un semi-conducteur ? Tout dépendra de deux paramètres, la force de l’interaction entre les électrons et celle du potentiel périodique.

La réponse est venue de l’échange constant entre un groupe de théoriciens, emmené par Thierry Giamarchi, professeur au Département de la physique de la matière quantique, section de physique de la Faculté des sciences de l’Université de Genève (UNIGE), et les groupes expérimentaux basés à Zurich et Lausanne, pilotés par Martin Lebrat, du groupe du professeur Tilman Esslinger de l’Institut d’électronique quantique de l’EPFZ et par Jean-Philippe Brantut, professeur à l’EPFL.

Grâce à un faisceau laser, les réservoirs d’atomes (en noir, de part et d’autre de l’illustration) sont reliés entre eux par un tube quantique dans lequel ils se déplacent. Leur mouvement peut être influencé par un nombre variable d’obstacles lumineux (les lignes vertes), projetés sur le tube par un objectif microscopique. (Image: EPFZ, groupe Esslinger)

L’endroit le plus froid de l’Univers

Les chercheurs se sont attaqué au problème en menant leurs expériences dans un matériau artificiel parfaitement propre, qui leur a permis de contrôler aussi bien l’interaction que le potentiel périodique. Au lieu de faire circuler des électrons dont les interactions à longue portée compliquent les prédictions, ils ont eu recours à des atomes neutres de lithium 6 ultra froids, qu’ils ont stocké grâce à un laser dans deux réservoirs sans bords, de véritables «bols de lumière».

«Le cœur de cette expérience est l’endroit le plus froid de l’Univers, la température n’y atteint que 70 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, bien plus basse que celle du vide intersidéral», s’enthousiasme Thierry Giamarchi.

Dans un potentiel périodique unidimensionnel, représenté ici par une barre de Toblerone, il n’y a aucun flux d’électrons – représentés ici par les ours en gomme – lorsque deux d’entre eux occupent un creux. La recherche a permis d’observer un comportement similaire avec les atomes de lithium 6 ultra froids. (Image: EPFZ, groupe Esslinger)

Quand la supraconductivité disparaît au cœur d’un tube quantique

Les réservoirs d’atomes ont ensuite été reliés par un tube quantique unidimensionnel au sein duquel un autre laser est venu simuler les «crêtes» du potentiel périodique. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer la conductivité du tube, tout en faisant varier les paramètres pertinents, y compris la longueur et la hauteur du potentiel périodique ainsi que les interactions entre les particules qui le traversent. Ils ont mis en évidence un état inhabituel de la matière, prédit par la théorie mais que personne n’avait pu observer jusque-là: un isolant de bande qui se maintient quelle que soit la force de l’interaction attractive entre les particules.

On pourrait en conclure intuitivement, que plus l’attraction entre particules est forte, plus le matériau tendra à être conducteur ou supraconducteur. «C’est vrai dans le monde en trois dimensions, mais dans le monde quantique à basse dimension, c’est une légende urbaine», s’exclame Thierry Giamarchi. «Lorsqu’on parvient à confiner le matériau dans un tube quantique unidimensionnel avec un potentiel périodique, il reste toujours isolant, y compris dans le cas d’une attraction infinie», ajoute le chercheur.

Vers la création de structures complexes

La très grande flexibilité offerte par cette recherche ouvre la voie à la création de structures complexes. «On peut voir ce système comme une sorte de simulateur qui permettra de définir les ingrédients à utiliser pour créer un matériau qui n’existe pas encore, et qui pourrait répondre à des besoins dans de futurs systèmes électroniques, comme dans les ordinateurs quantiques, par exemple», conclut Thierry Giamarchi.

Prof. Thierry Giamarchi

Département de la physique de la matière

UNIGE

Tél. 022 379 63 63

Thierry.Giamarchi@unige.ch