Sur la piste des quasi-particules

Pour comprendre et prédire les phénomènes météorologiques, il n'est guère utile d'observer le comportement de gouttelettes d'eau ou de molécules d'air isolées. Les météorologues (et même les profanes) parlent plut?t de nuages, de vents et de précipitations - des objets qui résultent donc de l'interaction complexe de petites particules. Les physiciens qui s'occupent des propriétés optiques ou de la conductivité des corps solides procèdent de manière très similaire. Ici aussi, les particules les plus petites - électrons et atomes - sont responsables des phénomènes les plus divers, mais une image révélatrice n'appara?t que si l'on regroupe un grand nombre d'entre elles en "quasi-particules".

Découvrir quelles quasi-particules se forment exactement dans un matériau et comment elles s'influencent mutuellement n'est toutefois pas une t?che facile et ressemble à un énorme puzzle dont les pièces s'assemblent peu à peu gr?ce à de longues recherches. Ata? Imamo?lu et ses collaborateurs de l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich sont désormais parvenus à trouver une nouvelle pièce du puzzle dans le cadre d'une étude expérimentale et théorique combinée, qui permet en outre de remettre à sa place une pièce jusqu'ici mal placée.

Excitons et polarons

Dans les solides, des quasi-particules se forment par exemple lorsqu'une particule de lumière est absorbée. L'énergie cinétique des électrons qui s'agitent dans un corps solide ne peut prendre que des valeurs situées dans des zones fermement délimitées, appelées bandes. Une particule de lumière peut alors faire passer un électron d'une bande d'énergie basse à une bande d'énergie haute, laissant un "trou" dans la bande basse.

L'électron excité et le trou formé s'attirent mutuellement sous l'effet de la force électrostatique de Coulomb, et si cette attraction est suffisamment forte, on peut considérer la paire électron-trou comme une quasi-particule - un "exciton" est né. En revanche, si deux électrons et un trou se lient l'un à l'autre, il se forme un trion. Mais si des excitons et un grand nombre d'électrons libres se trouvent simultanément dans le matériau, on a besoin d'une nouvelle quasi-particule, appelée polaron de Fermi, pour décrire ses propriétés qualitativement nouvelles - ou "émergentes".

Des quasi-particules dans le semi-conducteur

Imamo?lu et ses collègues ont alors voulu étudier les propriétés des quasi-particules présentes dans un certain type de semi-conducteur, dans lequel les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions. Pour ce faire, ils ont pris une seule couche de diséléniure de molybdène, d'une épaisseur de seulement un millième de micromètre, prise en sandwich entre deux disques de nitrure de bore. Ils y ont ajouté une couche de graphène afin d'appliquer une tension électrique qui permet de contr?ler la densité des électrons dans le matériau. Enfin, l'ensemble a été placé entre deux micro-miroirs, qui ont formé ensemble un résonateur optique.

Gr?ce à ce dispositif expérimental complexe, les physiciens zurichois ont désormais pu étudier en détail dans quelle mesure le matériau absorbe la lumière dans différentes conditions. Ils ont ainsi découvert que des polarons de Fermi se forment dans la structure du semi-conducteur en cas d'excitation optique, et non des excitons ou des trions comme on le pensait jusqu'à présent. "Jusqu'à présent, les données disponibles à l'époque à ce sujet ont toujours été mal interprétées par les chercheurs, y compris les miens", admet Imamo?lu. "Avec notre nouvelle expérience, nous avons maintenant rectifié l'image valable jusqu'à présent".

Performance d'équipe avec un chercheur invité

"Tout cela a été un travail d'équipe, auquel le professeur de Harvard Eugene Demler a largement contribué. Il a collaboré avec nous pendant plusieurs mois en tant qu'ITS Fellow", explique Meinrad Sidler, doctorant dans le groupe d'Imamo?lu. L'Institute for Theoretical Studies (ETH-ITS) de l'ETH se donne pour mission depuis 2013 de promouvoir la recherche multidisciplinaire à l'interface des mathématiques, de la physique théorique et de l'informatique. Il s'agit avant tout de faciliter les recherches basées sur la pure curiosité scientifique, avec pour objectif de trouver les meilleures idées dans des endroits inattendus.

Dans l'étude d'Imamo?lu et de ses collègues, qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée "Nature Physics", ce principe a en tout cas déjà porté ses fruits. En effet, dans ses recherches, Eugene Demler s'intéresse en fait aux atomes ultrafroids et étudie comment se comportent les mélanges d'atomes bosoniques et fermioniques. "Gr?ce à sa compréhension des polarons dans les gaz atomiques et les corps solides, Demler a donné à notre recherche des impulsions importantes et intéressantes auxquelles nous n'aurions probablement pas pensé de notre propre chef", explique Imamo?lu.

Supraconductivité induite par la lumière

Les connaissances acquises occuperont Imamo?lu et ses collaborateurs pendant un certain temps encore, car c'est précisément de l'interaction entre les particules bosoniques (par exemple les excitons) et fermioniques (les électrons) qu'il s'agit dans un grand projet de recherche pour lequel Imamo?lu a obtenu l'an dernier un Advanced Grant du Conseil européen de la recherche (ERC) et qui est également soutenu par le P?le de recherche national Sciences et technologies quantiques (PRN QSIT) est encouragée. Une meilleure compréhension de ces mélanges de quasi-particules aurait d'une part d'importantes répercussions sur la recherche fondamentale, et d'autre part des applications passionnantes. Par exemple, l'un des principaux objectifs du projet ERC est de montrer comment la supraconductivité peut être contr?lée à l'aide de la lumière laser.