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Un étrange «  électron neutre  » peut-être découvert dans un nouvel état de la matière

Une particule quantique auparavant inconnue – équivalente à un électron neutre – peut avoir été trouvée dans un nouvel état de la matière.

Cependant, le bizarre sans charge ne serait pas l’un des éléments fondamentaux de la matière. Ce serait plutôt une quasi-article qui émergerait du comportement collectif d’un matériau uniquement lorsque les conditions sont réunies. Dans la nouvelle étude, ces conditions ont été observées dans des feuilles de cristal semi-métallique présentant un comportement électromagnétique étrange.

«Si nos interprétations sont correctes, nous assistons à une forme fondamentalement nouvelle de matière quantique», a déclaré Sanfeng Wu, physicien de l’Université de Princeton. dit dans un communiqué. Wu est l’auteur principal d’une nouvelle étude décrivant la découverte le 4 janvier dans la revue La nature.

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Lui et ses collègues faisaient un suivi basé sur des indices dans des expériences précédentes du comportement étrange d’une mince feuille du matériau cristallin. tungstène ditelluride. Le matériau conduit l’électricité comme un métal en vrac, mais c’est un isolant puissant en tant que « monocouche » – une couche qui n’a qu’un atome d’épaisseur – car les électrons mobiles d’un courant sont bloqués par ses électrons fixes, qui deviennent beaucoup plus – une feuille « bidimensionnelle », a déclaré Wu à 45Secondes.fr dans un e-mail.

Dans le cadre de leurs recherches, les chercheurs ont exposé la monocouche à un champ magnétique variable à basse température, où les effets quantiques deviennent plus prononcés, et ont mesuré la résistance à un courant électrique. (Le magnétisme et l’électricité sont intimement liés; lorsqu’un champ magnétique change d’intensité, les électrons commencent à circuler, tandis que les électrons qui circulent génèrent un champ magnétique.)

Les matériaux réguliers présentent un comportement distinctif dans ces conditions: les métaux présentent un phénomène appelé «oscillation quantique», dans lequel leur résistivité bascule rapidement entre différentes valeurs.

Wu a expliqué que les oscillations quantiques se produisent parce que les électrons du matériau se déplacent entre leur état classique normal et les états de la mécanique quantique causés par leur mouvement circulaire dans le champ magnétique – effectivement un type de « superposition » quantique où un électron peut occuper plusieurs états différents à une fois que.

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Mais les isolateurs ne présentent pas d’oscillations quantiques; Ainsi, Wu et ses collègues furent surpris de voir que la résistivité de la monocouche de ditellurure de tungstène commençait à osciller à mesure que le champ magnétique augmentait – le comportement distinctif d’un métal.

« Cela a été une surprise totale », a-t-il déclaré. «Nous nous sommes demandé: » Qu’est-ce qui se passe ici?  » Nous ne le comprenons pas encore pleinement. « 

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Oscillation quantique

Les physiciens ont découvert l’oscillation quantique il y a près d’un siècle. Les métaux ont généralement une faible résistivité – leurs électrons les plus externes ne sont pas étroitement liés à leur parent les atomes, ainsi les métaux permettent aux électrons mobiles de circuler et de conduire le courant électrique.

Dans les premières expériences, les chercheurs exposaient un métal à un champ magnétique à des températures extrêmement basses et ont découvert que la résistivité du matériau augmenterait d’abord, puis commencerait à basculer entre des niveaux supérieurs et inférieurs.

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On sait maintenant qu’un champ magnétique suffisamment fort fait basculer les électrons dans un métal entre leur état classique normal et leurs états mécaniques quantiques circulaires, provoquant les oscillations de la résistivité du métal; et les oscillations quantiques sont devenues un outil standard pour caractériser de nombreuses propriétés des métaux, a déclaré Wu.

En revanche, les électrons des matériaux isolants ne peuvent pas bouger, ils ne conduisent donc pas bien le courant électrique et ont une résistivité très élevée. Les isolateurs ne montrent généralement aucune oscillation quantique, quelle que soit la force du champ magnétique.

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Ainsi, les oscillations quantiques observées dans la monocouche prétendument isolante de ditellurure de tungstène étaient inattendues, a déclaré Wu.

Bien que le matériau ait une résistivité élevée, il a commencé à osciller entre des niveaux de résistivité supérieurs et inférieurs à mesure que l’intensité du champ magnétique augmentait. Cette oscillation indiquait que les électrons du matériau se déplaçaient en phases quantifiées causées par le champ magnétique – une propriété fondamentale d’un métal, mais dans un isolant puissant, a-t-il déclaré.

Nouvelle matière

La physique moderne n’explique pas la découverte, a déclaré Wu, et lui et son équipe émettent l’hypothèse que les oscillations observées sont causées par une forme auparavant inconnue de matière quantique.

Ils pensent que les oscillations quantiques pourraient être expliquées par des «quasi-particules», jamais vues auparavant, qui proviennent des électrons fixes lorsque la monocouche de ditellurure de tungstène est exposée à un champ magnétique suffisamment fort. Et ils suggèrent que cette quasi-particule est un «fermion neutre» – l’équivalent d’un électron, mais sans charge électrique.

Les fermions chargés normaux sont soit des électrons chargés négativement, soit les «trous» chargés positivement qui sont perçus comme le flux de courant dans un métal – les électrons circulent en fait dans la direction opposée au courant.

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Mais les chercheurs pensent que leurs fermions neutres pourraient exister et être mobiles dans un isolant, provoquant des interactions entre un courant et les particules neutres qui émergent des électrons fixes qui peuvent être détectés sous forme d’oscillations quantiques.

« Ici, les fermions à charge neutre sont une particule émergente, en raison du comportement collectif d’un système à plusieurs électrons en interaction forte », a déclaré Wu. « Donc ce n’est pas [one of] la particules élémentaires dans le modèle standard », a-t-il déclaré, se référant au modèle qui régit le monde parfois bizarre de la physique des particules.

Ils envisagent maintenant des moyens de tester leur hypothèse de « fermions neutres » dans le ditellurure de tungstène, et ils recherchent d’autres isolants qui développent également des oscillations quantiques, a-t-il déclaré.

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« Il est difficile d’imaginer de futures applications à ce stade, mais je suis sûr que cela sera lié à nos futures technologies quantiques », a déclaré Wu. De la même manière, «il était difficile d’imaginer l’électronique moderne quand un électron a été vu pour la première fois».

L’équipe de Wu a préparé ses monocouches de ditellurure de tungstène en « rasant » progressivement un flocon de plus en plus finement avec du ruban adhésif régulier.

Bien que cela puisse paraître simple, cette méthode dite de «scotch tape» est couramment utilisée pour créer des monocouches de matériaux appropriés et a conduit à la découverte de matériaux «bidimensionnels» comme le graphène, qui a reçu le prix Nobel de physique en 2010.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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