Des physiciens capturent les premières images de cristaux d’électrons

Dans le monde fascinant de la physique quantique, les électrons nous réservent encore bien des surprises. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) viennent en effet de réussir un exploit remarquable : capturer pour la première fois des images directes d'électrons se solidifiant en d'étranges cristaux quantiques, appelés cristaux moléculaires de Wigner.

Quand les électrons se figent en cristaux

En temps normal, les électrons se déplacent librement dans les matériaux, se comportant un peu comme un liquide désordonné. Mais dans certaines conditions extrêmes, à très basse température et densité, ils peuvent littéralement "geler" et former une structure cristalline solide. C'est ce qu'on appelle un cristal de Wigner, du nom du physicien Eugene Wigner qui avait prédit leur existence dès les années 1930.

Jusque-là, seuls des cristaux de Wigner "classiques", composés d'électrons uniques, avaient pu être observés. Mais l'équipe de Berkeley Lab est allée plus loin en imageant une nouvelle phase quantique : un cristal moléculaire de Wigner, où ce sont des petits groupes d'électrons qui s'agencent pour former le cristal.

Un "super-réseau" spécial pour piéger les électrons

Pour y parvenir, les chercheurs ont dû concevoir un ingénieux "piège à électrons". Ils ont empilé deux fines couches monoatomiques de disulfure de tungstène (WS2), en les tournant de 58° l'une par rapport à l'autre. Le tout repose sur une couche de nitrure de bore. Cette structure baptisée "tWS2 moiré superlattice" forme un réseau périodique dans lequel les électrons vont pouvoir s'organiser.

En dopant ce système avec des électrons supplémentaires, les scientifiques ont alors observé un phénomène remarquable : par groupes de 2 ou 3, les électrons se sont mis à occuper les "cases" de ce super-réseau, formant ainsi des "molécules" d'électrons. L'ensemble de ces molécules constitue le fameux cristal moléculaire de Wigner.

Un microscope à effet tunnel "adouci" pour voir sans perturber

Reste que pour visualiser cette délicate structure quantique, il a fallu faire preuve d'une grande finesse. Habituellement, on utilise un microscope à effet tunnel (STM) pour sonder la matière à l'échelle des atomes. Mais dans ce cas, le champ électrique de la pointe du STM risquait de déstabiliser la fragile configuration des électrons. L'astuce a été de minimiser ce champ perturbateur, permettant ainsi d'obtenir des clichés nets du cristal.

"C'est un peu comme essayer de prendre une photo dans le noir avec un appareil dont le flash est trop puissant. Il faut trouver le bon équilibre."

explique Hongyuan Li, chercheur à Berkeley Lab

Vers de nouvelles applications quantiques ?

Au-delà de la prouesse technique, cette découverte ouvre de nombreuses perspectives. Les propriétés uniques de ces cristaux d'électrons pourraient déboucher sur de nouvelles applications en physique quantique et en science des matériaux. Les chercheurs comptent approfondir leurs travaux pour mieux comprendre la physique fascinante de ces structures exotiques et explorer leur potentiel.

Parmi les pistes envisagées :

• L'utilisation des cristaux d'électrons comme plateforme pour étudier d'autres phénomènes quantiques
• Le développement de nouveaux matériaux quantiques aux propriétés ajustables
• Des applications potentielles en informatique ou communication quantique

Nul doute que les cristaux moléculaires de Wigner n'ont pas fini de nous étonner et pourraient bien apporter leur pierre à l'édifice des technologies quantiques de demain. La physique de l'infiniment petit est décidément un champ de recherche passionnant et fécond !