Une collaboration de physiciens australiens et européens prédit que les semi-conducteurs électroniques 2D en couches peuvent héberger une curieuse section quantique de la matière appelée supersolide.
Le supersolide est en effet une stage très contre-intuitive. Il est composé de particules qui forment simultanément un cristal rigide et qui s’écoulent en même temps sans frottement puisque toutes les particules appartiennent au même état quantique exclusive.
Un solide devient « super » lorsque ses propriétés quantiques correspondent aux propriétés quantiques bien connues des supraconducteurs. Un supersolide a simultanément deux ordres, solide et tremendous :
- solide en raison du motif répétitif dans l’espace des particules,
- super parce que les particules peuvent s’écouler sans résistance
“Bien qu’un supersolide soit rigide, il peut s’écouler comme un liquide sans résistance”, explique l’auteur principal, le Dr Sara Conti (Université d’Anvers).
L’étude a été menée à l’UNSW (Australie), à l’Université d’Anvers (Belgique) et à l’Université de Camerino (Italie).
Un voyage de 50 ans vers le supersolide exotique
Geoffrey Chester, professeur à l’Université Cornell, a prédit en 1970 que l’hélium-4 solide sous pression devrait afficher à basse température :
- Ordre solide cristallin, avec chaque atome d’hélium à un level spécifique d’un réseau régulièrement ordonné et, en même temps,
- Condensation de Bose-Einstein des atomes, avec chaque atome dans le même état quantique exclusive, de sorte qu’ils circulent sans résistance
Cependant, au cours des cinq décennies suivantes, le supersolide de Chester n’a pas été détecté sans ambiguïté.
Des approches alternate options pour previous un état de style supersolide ont rapporté des phases de kind supersolide dans des systèmes à atomes froids dans des réseaux optiques. Il s’agit soit d’amas de condensats, soit de condensats de densité variable déterminée par les géométries de piégeage. Ces phases de variety supersolide doivent être distinguées du supersolide first de Chester dans lequel chaque particule est localisée à sa spot dans le réseau cristallin uniquement par les forces agissant entre les particules.
La nouvelle étude Australie-Europe prédit qu’un tel état pourrait plutôt être conçu dans des matériaux électroniques bidimensionnels (2D) dans une composition semi-conductrice, fabriquée avec deux couches conductrices séparées par une barrière isolante d’épaisseur d.
Une couche est dopée avec des électrons chargés négativement et l’autre avec des trous chargés positivement.
Les particules formant le supersolide sont des excitons intercouches, des états liés d’un électron et d’un trou liés par leur forte attraction électrique. La barrière isolante empêche l’auto-annihilation rapide des paires liées aux excitons. Les tensions appliquées aux “portes” métalliques supérieures et inférieures règlent la séparation moyenne r0 entre les excitons.
L’équipe de recherche prédit que les excitons de cette structure formeront un supersolide sur une massive gamme de séparations de couches et de séparations moyennes entre les excitons. La répulsion électrique entre les excitons peut les contraindre dans un réseau cristallin fixe.
“Une nouveauté clé est qu’une section supersolide avec une cohérence quantique de Bose-Einstein apparaît à des séparations de couches beaucoup in addition petites que la séparation prévue pour le solide non super exciton qui est entraîné par la même répulsion électrique entre les excitons”, déclare le co-auteur correspondant, le professeur David Neilson (Université d’Anvers).
“De cette manière, le supersolide préempte le solide non tremendous exciton. À des séparations encore plus grandes, le solide non superexciton finit par l’emporter et la cohérence quantique s’effondre.”
“Il s’agit d’un état extrêmement robuste, facilement réalisable dans des configurations expérimentales”, ajoute le co-auteur correspondant, le professeur Alex Hamilton (UNSW). “Ironiquement, les séparations de couches sont relativement importantes et sont additionally faciles à fabriquer que les séparations de couches extrêmement petites dans de tels systèmes qui ont fait l’objet d’expériences récentes visant à maximiser les énergies de liaison des excitons intercouches.”
Quant à la détection, pour un superfluide, il est bien connu que celui-ci ne peut pas être mis en rotation tant qu’il ne peut pas héberger un vortex quantique, analogue à un tourbillon. Mais pour previous ce vortex, il faut une quantité finie d’énergie, et donc une drive de rotation suffisamment forte. Ainsi, jusqu’à ce place, le instant d’inertie de rotation mesuré (la mesure dans laquelle un objet résiste à l’accélération de rotation) restera nul. De la même manière, un supersolide peut être identifié en détectant une telle anomalie dans son minute d’inertie de rotation.
L’équipe de recherche a rapporté le diagramme de phase complet de ce système à basse température.
“En modifiant la séparation des couches par rapport à l’espacement moyen des excitons, la drive des interactions exciton-exciton peut être ajustée pour stabiliser soit le superfluide, soit le supersolide, soit le solide typical”, explique le Dr Sara Conti.
“L’existence d’un position triple est également particulièrement intrigante. À ce stade, les limites de la fusion du supersolide et du solide regular, et la changeover du supersolide au solide normal, se croisent toutes. Il devrait y avoir une physique passionnante provenant des interfaces exotiques séparant ces domaines, par exemple, Josephson créant un tunnel entre des flaques d’eau supersolides intégrées dans un fond usual.”