Des physiciens du MIT ont titillé un matériau quantique avec des lasers, et ce qu'ils ont découvert, c'est que les électrons peuvent se réorganiser de deux manières très différentes - l'une lisse comme de l'eau qui s'évapore, l'autre grumeleuse comme de la glace qui gèle. L'étude, publiée dans Nature Physics, éclaire la façon dont plusieurs phases électroniques peuvent coexister dans le même matériau, ce qui pourrait un jour nous aider à construire de meilleurs dispositifs quantiques et, vous savez, peut-être remplacer le silicium.

« On pense que la pierre angulaire du remplacement du silicium réside dans les matériaux quantiques qui ont plusieurs phases coexistantes », déclare le co-auteur Alfred Zong PhD '20, maintenant professeur assistant à l'Université de Stanford. « Notre expérience offre un moyen très élégant d'étudier ces multiples phases. »

Les chercheurs, dirigés par Nuh Gedik, professeur Donner de physique au MIT, ont étudié le tritellurure d'erbium, un matériau de terres rares avec une sérieuse attitude électronique. Dans des conditions ordinaires, les électrons sont répartis uniformément, mais refroidissez-le et ils commencent à former un arrangement en forme de vague appelé onde de densité de charge (CDW). Refroidissez-le encore plus, et une deuxième vague apparaît perpendiculairement à la première, créant un damier à l'échelle atomique qui rendrait jaloux n'importe quel grand maître d'échecs.

L'équipe a réussi à séparer les deux phases et à observer comment chacune se forme. La première phase, la « dominante », apparaît progressivement à travers le matériau, comme l'eau qui se transforme en vapeur. La deuxième phase, « sous-dominante », cependant, commence dans des poches isolées et s'étend vers l'extérieur, tout comme des cristaux de glace se formant dans votre boisson. Cette différence est essentielle : la première est une transition de second ordre classique, tandis que la seconde est une transition de premier ordre, et c'est une surprise.

« Le mécanisme responsable de l'émergence de cette deuxième phase a longtemps été débattu, et notre approche fournit un nouveau moyen puissant de découvrir la physique cachée derrière les transitions de phase dans les matériaux quantiques », déclare Gedik.

L'expérience était une routine classique de « secouer et écouter ». L'équipe a refroidi des échantillons atomiquement minces de tritellurure d'erbium à environ -230 degrés Celsius, puis les a zappés avec deux impulsions laser. La première impulsion a « secoué » le système, brisant le damier électronique, et la deuxième impulsion a pris des instantanés de la façon dont les électrons récupéraient au fil du temps. L'onde dominante est revenue en douceur, peu importe la force avec laquelle ils l'ont frappée, mais l'onde sous-dominante a grandi à partir de graines dispersées, comme des cristaux de glace se formant dans de l'eau surfondue.

Ce comportement n'était pas attendu, et il identifie enfin le mécanisme longtemps débattu derrière la deuxième phase CDW. Et bien que le tritellurure d'erbium soit cool en soi, le vrai prix est de comprendre des matériaux plus complexes comme les supraconducteurs à haute température, où plusieurs phases (magnétisme, supraconductivité, CDW) coexistent et interagissent.

« Dans des systèmes beaucoup plus complexes, comme les supraconducteurs à haute température, on voit qu'il y a plusieurs phases - magnétisme, supraconductivité, ondes de densité de charge - et elles existent toutes ensemble », dit Gedik. « Une des théories est que la façon dont elles interagissent entre elles est la clé de leurs propriétés exotiques. Les leçons que nous apprenons ici peuvent être appliquées à des matériaux beaucoup plus complexes. »

La recherche a été soutenue par le département de l'Énergie des États-Unis, la National Science Foundation des États-Unis et la subvention EPiQS Initiative de la fondation Gordon et Betty Moore. Matériel fourni par le Massachusetts Institute of Technology. Écrit à l'origine par Jennifer Chu. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.