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Les physiciens observent la séparation d'un électron dans un corps solide
Les physiciens d'un groupe international de chercheurs ont pu observer la façon dont un électron se divise en deux particules distinctes, dotées chacune de certaines propriétés de l'électron dont elles sont issues. L'une des nouvelles particules, appelée
spinon, emporte le spin de l'électron, associé à la rotation de l’électron autour de son axe, qui est à la base du magnétisme. L'autre nouvelle particule, appelée
orbiton, emporte le moment orbital angulaire de l’électron, associé à sa révolution sur une orbite autour du noyau atomique. Ces nouvelles quasi-particules ne sont toutefois pas à même de quitter le matériau ayant servi à leur génération. Ces résultats, publiés dans la revue scientifique Nature, ont été obtenus par un groupe international de chercheurs formé de physiciens expérimentaux de l'Institut Paul Scherrer en Suisse et de théoriciens de l'IFW de Dresde (l'institut allemand de recherche sur les matériaux Leibniz).
Tous les électrons sont dotés d'une propriété fondamentale appelée
spin. Cette rotation de l'électron sur lui-même est à la base du magnétisme dans les matériaux. Mais les électrons, outre leur rotation autour de leur propre axe, tournent également sur des orbites autour du noyau atomique. En règle générale, ces deux propriétés de la physique quantique (le spin et le moment angulaire orbital) appartiennent au même électron. L’expérience réalisée à l'Institut Paul Scherrer a réussie à séparer ces deux propriétés fondamentales des électrons.
Séparation de l'électron en spinon et en orbiton par des rayons X
Les scientifiques ont pu observer cette séparation de l'électron en deux nouvelles particules lors de mesures sur un matériau particulier, le Sr2CuO3, appelé cuprate de strontium. La particularité du réseau cristallin de ce matériau est que les particules ne peuvent s’y déplacer que parallèlement à un seul axe, en avant ou en arrière. A l'aide de rayons X, les scientifiques ont réussi à soulever quelques électrons du cuivre, contenu dans le cuprate de strontium, sur une orbite plus élevée que la normale, où ils circulent à une vitesse plus élevée. Suite à l'excitation par les rayons X, ces quelques électrons se sont divisés en spinons et en orbitons. Le spinon hérite du spin de l'électron, c'est-à-dire des propriétés magnétiques. L'autre nouvelle particule, l'orbiton, hérite du moment angulaire orbital, c’est-à-dire la propriété liée à son orbite plus éloignée du noyau. Pour la première fois, cette expérience a permis d'étudier séparément ces deux propriétés fondamentales de l'électron.
Dans cette expérience, des rayons X, générés par la Source de Lumière Suisse SLS, ont été dirigés sur le cuprate de strontium et les chercheurs ont pu mesurer la modification d'énergie et d’impulsion au moment de la collision avec le matériau. Cette modification permet de déterminer les propriétés des nouvelles particules générées. «Pour ces expériences nous avons à la fois besoin de rayons X de très grande intensité et d’énergie très bien définie, afin d'obtenir l'effet souhaité sur les atomes de cuivre, et aussi de détecteurs à rayons X d'une précision extrême. explique Thorsten Schmitt, le chef du groupe d'expérimentateurs. Dans ce domaine, la SLS de l'Institut Paul Scherrer est actuellement leader mondial.
La séparation d'électrons existe probablement dans de nombreux matériaux
Depuis un certain temps déjà, on sait que la séparation d'électrons doit être possible dans certains matériaux explique Jeroen van den Brink, qui dirige les théoriciens de l’IFW de Dresde,
mais la confirmation par l’expérience de la séparation en spinons et en orbitons indépendants nous manquait jusqu'à présent. Maintenant, nous savons où chercher ces nouvelles particules et nous allons sûrement en trouver dans de nombreux autres matériaux.
Un résultat susceptible de parfaire la compréhension de la supraconductivité à haute température
La séparation d'électrons fournira probablement des conclusions importantes dans un autre domaine de recherche : la supraconductivité à haute température. Le comportement des électrons dans le Sr2CuO3 est similaire à celui des électrons dans les supraconducteurs à base de cuivre. La compréhension de la séparation des électrons dans le matériau ayant été utilisé pour cette expérience ouvrira probablement de nouvelles possibilités pour une compréhension théorique approfondie de la supraconductivité à haute température.
À propos du PSI
L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1400 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.
A propos de l’IFW de Dresde
L'institut Leibniz pour la recherche sur les corps solides et les matériaux à Dresde – en abrégé l’IFW de Dresde – est une institution non-universitaire pour les membres de la communauté Leibniz. L'institut travaille sur les matériaux modernes et combine les recherches en physique, chimie et science des matériaux avec le développement technologique de nouveaux matériaux et produits. L'IFW de Dresde compte environ 400 collaborateurs, dont 190 scientifiques, la majorité étant composée de physiciens, chimistes et ingénieurs en matériaux. Le gouvernement fédéral allemand et le gouvernement du pays de la Saxe financent à parts égales le budget annuel de 23 millions d'Euros auquel s'ajoutent des dotations aux projets de 5 millions.