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Un isolant composé de deux conducteurs
La loi d'Ohm est bien connue des cours de physique. Elle stipule que la résistance d'un conducteur et la tension qui lui est appliquée déterminent la quantité de courant qui circule dans le conducteur. Les électrons du matériau - les porteurs de charge négative - se déplacent de manière désordonnée et largement indépendamment les uns des autres. Les physicien·nes trouvent cependant beaucoup plus intéressant de voir les porteurs de charge s'influencer mutuellement de manière suffisamment forte pour que cette image simple ne soit plus correcte.
C'est le cas, par exemple, du «graphène bicouche torsadé», qui a été découvert il y a quelques années. Ce matériau est composé de deux couches de graphène très minces, chacune constituée d'une seule couche d'atomes de carbone. Si deux couches voisines sont légèrement tordues l'une par rapport à l'autre, les électrons peuvent être influencés de telle sorte qu'ils interagissent fortement les uns avec les autres. En conséquence, le matériau peut, par exemple, devenir supraconducteur et donc conduire le courant sans aucune perte.
Une équipe de chercheur·ses dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich, ainsi que des collègues de l'Univeristé du Texas à Austin (États-Unis), ont observé un nouvel état dans les doubles couches torsadées de graphène. Dans cet état, les électrons chargés négativement et les «trous» chargés positivement, qui sont les électrons manquants dans le matériau, sont si fortement corrélés entre eux que le matériau ne conduit plus le courant électrique.
Couches de graphène torsadées
«Dans les expériences classiques, dans lesquelles les couches de graphène sont tordues d'environ un degré l'une par rapport à l'autre, la mobilité des électrons est influencée par l'effet tunnel mécanique quantique entre les couches», explique Peter Rickhaus, post-doc et auteur principal de l'étude récemment publiée dans la revue Science. «Dans notre nouvelle expérience, en revanche, nous tordons deux doubles couches de graphène de plus de deux degrés l'une par rapport à l'autre, de sorte que les électrons ne peuvent essentiellement plus faire de tunnel entre les doubles couches.»
Résistance accrue grâce au couplage
En conséquence, l'application d'un champ électrique permet de créer des électrons dans l'une des doubles couches et des trous dans l'autre. Les électrons et les trous peuvent tous deux conduire le courant électrique. On pourrait donc s'attendre à ce que les deux doubles couches de graphène forment ensemble un conducteur encore meilleur, avec une résistance plus faible.
Dans certaines circonstances, cependant, c'est exactement le contraire qui peut se produire, comme l'explique Folkert de Vries, un post-doc de l'équipe de Klaus Ensslin: «Si l'on ajuste le champ électrique de manière à avoir le même nombre d'électrons et de trous dans les doubles couches, la résistance augmente soudainement et fortement.» Pendant plusieurs semaines, Klaus Ensslin et ses collaborateur·ices n'ont pas réussi à donner un sens à ce résultat surprenant, mais finalement leur collègue théoricien Allan H. MacDonald, d'Austin, leur a donné un indice décisif: selon lui, il·les auraient observé un nouveau type d'onde de densité.
Les ondes de densité de charge apparaissent généralement dans les conducteurs unidimensionnels lorsque les électrons du matériau conduisent collectivement le courant électrique et s'organisent aussi spatialement en ondes. Dans l'expérience réalisée par les chercheur·ses de l'ETH Zurich, ce sont maintenant les électrons et les trous qui s'apparient les uns aux autres par attraction électrostatique et forment ainsi une onde de densité collective. Cependant, cette onde de densité est maintenant constituée de paires électron-trou électriquement neutres, de sorte que les deux doubles couches prises ensemble ne peuvent plus conduire le courant électrique.
Nouvel état corrélé
«C'est un état corrélé complètement nouveau d'électrons et de trous qui n'a pas de charge globale», explique Klaus Ensslin. «Cet état neutre peut néanmoins transmettre des informations ou conduire la chaleur. De plus, ce qui est particulier, c'est que nous pouvons le contrôler complètement grâce à l'angle de torsion et à la tension appliquée.» Des états similaires ont été observés dans d'autres matériaux dans lesquels des paires électron-trou (également appelées excitons) sont créées par excitation à l'aide de la lumière laser. Dans l'expérience de l'ETH Zurich, cependant, les électrons et les trous sont dans leur état fondamental, ou état de plus basse énergie, ce qui signifie que leur durée de vie n'est pas limitée par la désintégration spontanée.
Application possible dans les technologies quantiques
Klaus Ensslin, qui est spécialisé dans l'étude des propriétés électroniques des petits systèmes quantiques, spécule déjà sur les applications pratiques possibles de ce nouvel état corrélé. Toutefois, cela nécessitera une bonne dose de travail préparatoire. On pourrait piéger les paires électron-trou, par exemple dans un résonateur (Fabry-Pérot). Cette solution est très exigeante, car les particules neutres ne peuvent pas être contrôlées directement, par exemple à l'aide de champs électriques. Le fait que l'état soit électriquement neutre pourrait, d'un autre côté, s'avérer être un avantage: il pourrait être exploité pour rendre les mémoires quantiques moins sensibles au bruit des champs électriques.