Dans un matériau conducteur, les électrons libres se comportent comme un fluide et circulent à des vitesses de l’ordre de quelques milliers de kilomètres par seconde. Mais dans certaines conditions, les électrons se figent dans une configuration régulière qui rappelle celle d’un cristal. À cause de cette immobilité, il n’est plus possible d’établir un courant dans le matériau : celui-ci se comporte comme un isolant. En 1934, le physicien Eugene Wigner, un pionnier de la mécanique quantique, a prédit l’existence de ce type de « cristal » qui porte aujourd’hui son nom. L’équipe de Hongkun Park, à l’université Harvard, et celle d’Ataç Imamoğlu, à l’école polytechnique fédérale de Zurich, viennent d’observer de façon très nette ce phénomène et la transition de phase associée du cristal qui « fond » vers l’état normal, à l’instar d’un solide qui devient liquide.

Depuis les travaux d’Eugene Wigner, plusieurs expériences ont mis en évidence ce cristal d’électrons qui nécessite des conditions particulières. Le matériau doit d’abord être refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu de sorte que l’agitation thermique soit la plus faible possible. Or ce n’est pas suffisant car, même au zéro absolu, les électrons bougent encore trop en raison des fluctuations quantiques. « Le cristal de Wigner serait l’état naturel d’un ensemble d’électrons tels qu’on les rencontre dans les métaux s’il n’y avait pas la mécanique quantique », explique Mark Goerbig, du Laboratoire de physique des solides, à Orsay. « En effet, les électrons se repoussent en raison de leurs interactions coulombiennes tout en étant restreints au volume occupé par le métal. La formation d’un cristal minimiserait cette répulsion. Or les fluctuations thermiques et quantiques empêchent cette mise en ordre. »

Afin de réduire l’importance relative des fluctuations quantiques (par rapport à l’espacement moyen entre les électrons), il faut contrôler la densité électronique pour qu’elle soit très faible. La répulsion coulombienne entre les électrons (tous porteurs d’une charge négative) domine alors les agitations thermique et quantique : dans un système bidimensionnel, les particules se placent à la même distance les unes des autres selon un pavage triangulaire.

Une solution pour contourner le problème consiste à plonger le matériau dans un champ magnétique puissant. Les électrons se retrouvent alors enfermés sur de petites trajectoires circulaires, ce qui réduit l’agitation quantique. Cependant, si le résultat est assez proche, l’état obtenu ne correspond pas exactement à la définition du cristal de Wigner. En outre, l’analyse de tels systèmes par spectroscopie est difficile.

Ces dernières années, quelques équipes ont obtenu des indices de formation d’un cristal de Wigner sans l’assistance d’un champ magnétique. Mais une démonstration décisive manquait. Les progrès dans la synthèse de matériaux comportant une seule couche atomique ont ouvert la voie à des systèmes prometteurs. « Les équipes de Harvard et de Zurich ont utilisé du diséléniure de molybdène (MoSe2), note Mark Goerbig. Or, grâce aux techniques de fabrication, nous ne sommes plus gênés par des impuretés qui empêcheraient la mise en ordre des électrons. » Le diséléniure de molybdène a un double avantage : la masse effective des électrons est importante (ils circulent plus lentement, ce qui réduit l’agitation quantique) et les interactions entre ces particules sont plus intenses (la force coulombienne y est moins perturbée – ou écrantée – que dans d’autres matériaux). Il est alors possible de réunir les conditions pour obtenir un cristal de Wigner sans champ magnétique et avec une densité électronique assez élevée.

Les dispositifs des deux équipes sont différents. L’équipe d’Ataç Imamoğlu a utilisé une seule couche monoatomique de MoSe2 prise entre deux couches de nitrure de bore, un isolant, et des électrodes en graphène. En appliquant une tension électrique sur la couche de MoSe2, les chercheurs ont réglé précisément la densité électronique et formé un cristal de Wigner avec un réseau triangulaire.

L’équipe de Hongkun Park a pour sa part utilisé deux couches monoatomiques de MoSe2 superposées et séparées par un matériau isolant. En appliquant de façon indépendante des tensions électriques sur chaque couche, les chercheurs ont contrôlé la densité d’électrons libres dans chacune d’elles. Un cristal de Wigner peut se former dans chaque couche. L’originalité du dispositif est que la répulsion coulombienne agit aussi entre les deux couches. « Un électron d’une couche a tendance à se mettre à une position qui correspond à un interstice du cristal de Wigner de l’autre couche, pour diminuer la répulsion coulombienne entre les deux couches, explique Mark Goerbig. Le problème devient alors géométrique. » Dans la situation la plus naturelle, quand la densité électronique est la même dans les deux couches, on a un électron positionné dans un creux sur deux de l’autre cristal et les cristaux sont juste décalés. Avec un rapport de densité de deux, on a un électron par creux, mais la structure est alors en nid d’abeilles et ne minimise pas la répulsion coulombienne des électrons dans cette couche. Les chercheurs ont retrouvé des cristaux de Wigner pour des rapports entiers de 3, 4 ou 7. Les pas du réseau triangulaire sont alors différents.

Avec une distance typique de seulement 20 nanomètres entre deux électrons, soit environ 30 fois moins que la longueur d’onde de la lumière visible, il n’est pas possible d’utiliser un microscope pour observer les cristaux de Wigner. Pour mettre en évidence cet état de la matière, les deux équipes ont utilisé la même technique reposant sur des « excitons ». Avec un laser, les chercheurs excitent un électron du réseau qui s’est associé avec un « trou », une quasi-particule correspondant à un déficit d’électron. La paire forme alors un autre type de quasi-particule : un exciton. Le mouvement de cet exciton est très fortement affecté par le cristal d’électrons et permet de mettre sa présence en évidence. En outre, les excitons ont une grande durée de vie dans le diséléniure de molybdène.

Grâce à ce dispositif performant, l’équipe de Hongkun Park a ensuite étudié les transitions de phase du cristal de Wigner. Une première transition est obtenue en augmentant la température. Le cristal « fond », à l’image d’un glaçon quand la température dépasse 0 °C : l’agitation thermique reprend le dessus et les électrons redeviennent un « liquide ». Mais une autre transition, dite quantique, peut aussi être obtenue à température constante. En augmentant la densité électronique, l’agitation quantique déstabilise la structure, et les électrons retrouvent leur comportement fluide.

De façon générale, il est très difficile d’étudier le comportement d’un ensemble d’électrons en interaction. Les mouvements et les collisions nombreuses et rapides rendent difficile la description du système. Le cristal de Wigner offre une configuration particulière pour comprendre de tels ensembles.





Source [ Pour la science ]