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Les dropletons, nouvelles quasiparticules de la physique du solide

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Les propriétés électriques, magnétiques, optiques et thermiques des solides font intervenir un zoo de particules quantiques comme les excitons, les magnons et les phonons. On vient d'en découvrir une nouvelle dans un semi-conducteur. Baptisée « dropleton » (en référence à droplet, une gouttelette en anglais), cette quasiparticule est composée de quelques électrons et des trous qu'ils ont laissés dans la bande d'énergie de valence.

Vue d'artiste des dropletons formés d'une dizaine de particules piégées dans des puits quantiques. On peut les concevoir comme des gouttes de liquides oscillant dans des trous. Ces nouvelles quasiparticules pourraient avoir un jour des applications en optoélectronique. © Baxley, JILA

L'application des lois de la mécanique quantique aux isolants, métaux et semi-conducteurs solides conduit à les traiter comme des sortes de molécules dont les niveaux d'énergie si serrés qu'ils forment ce qu'on appelle des bandes d’énergie. Dans un semi-conducteur, la bande de valence et celle de conduction sont séparées par un « gap ». Il est toutefois possible d'apporter facilement de l'énergie à des électrons situés dans l'état d'énergie minimale du solide, c'est-à-dire la bande de valence, pour qu'ils peuplent la bande de conduction. Ils laissent alors dans la bande de valence des trous qui se comportent comme des particules de charge opposée à celle des électrons. Trous et électrons peuvent s'attirer et produire des états liés. Globalement neutres, ces états composés d'un électron et d'un trou forment des « excitons », que l'on peut trouver aussi dans des isolants.

La théorie des excitons remonte aux travaux du physicien russe Yakov Frenkel, mais elle a été enrichie depuis. Les excitons des semi-conducteurs sont étudiés en utilisant les outils forgés par le physicien suisse Gregory Wannier et son collègue britannique Nevill Mott. On connaissait déjà depuis les années 1960 l'existence de paquets d'excitons contenant de plusieurs milliers à plusieurs millions d'entre eux. Possédant des tailles de l'ordre du micron, ces paquets se comportent comme des sortes de gouttes de liquide quantique dans les semi-conducteurs.

Gregory Hugh Wannier (1911-1983) était un physicien suisse. Ses travaux en physique quantique concernent la physique du solide avec les excitons et les matériaux ferromagnétiques. © AIP, Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection

Des quasiparticules pour des matériaux exotiques

Un groupe de physiciens états-uniens et allemands vient de réussir pour la première fois à produire des gouttes de ce liquide ne contenant qu'une poignée d'électrons et de trous dans des puits quantiques (des zones de l'espace dans lesquelles le potentiel ressenti par une particule quantique atteint un minimum).

Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature, les chercheurs ont pour cela utilisé un laser ultrabref émettant 100 millions d'impulsions par seconde en direction d'un semi-conducteur à base d'arséniure de gallium. Ce type de matériau est utilisé notamment pour réaliser des composants en optoélectronique, des diodes électroluminescentes dans l'infrarouge ou des cellules photovoltaïques. Le temps de vie de ces « dropletons » (en référence à droplet, le mot anglais pour gouttelette) est court, environ 25 picosecondes. Mais cela suffit pour étudier quelques-unes de leurs propriétés.

On n'a pas encore d'applications précises en vue avec cette découverte. Mais ces particules pourraient bien être responsables de propriétés exotiques en physique de la matière condensée. Comme l'histoire des sciences le prouve, on pourrait donc bien avoir des surprises.