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Holon

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Les holons sont des quasi-particules chargées. À l'image, le prix Nobel de physique Sin-Itiro Tomonaga est l’un des découvreurs de la formulation relativiste de la théorie quantique des champs. © Nobel Foundation

Les holons sont des quasi-particules chargées mais dotées d'un spin nul, qui émergent au sein d'une population d'électrons dans une structure effective en 1D dans certains solides. Les holons sont des chargeons. Elles sont toujours associées à d'autres quasi-particules, les spinons.

Dans les années 1950, l'un des découvreurs de la formulation relativiste de la théorie quantique des champs, le prix Nobel de physique japonais Sin-Itiro Tomonaga, avait jeté les bases de la théorie de la conduction des électrons dans des solides que l'on pouvait considérer comme des objets en 1D (en tout état de cause, résoudre des problèmes en 1D est parfois un bon moyen de comprendre plus facilement des phénomènes en 2D ou 3D). Reprise et reformulée dans les années 1960 par le physicien Joaquin Luttinger, et malgré des erreurs de sa part, elle est connue aujourd'hui sous le nom de théorie des liquides quantiques de Tomonaga-Luttinger. C'est le physicien Lev Landau qui est à l'origine de la théorie des liquides quantiques, plus précisément des liquides de Fermi, c'est-à-dire du comportement des électrons (qui sont des fermions) dans un solide quand on ne peut plus négliger les interactions des électrons entre eux. Un modèle de gaz de particule est alors moins pertinent.

Spinons, orbitons et chargeons, les trois avatars de l'électron

Comme Tomonaga l'avait compris, le comportement collectif du liquide quantique d'électrons dans ces structures faisait apparaître un curieux phénomène, celui de séparation spin-charge. Tout se passait comme si ce liquide d'électrons était composé de particules différentes portant seulement l'une des caractéristiques de l'électron.

Tout comme les phonons, ces particules sont en réalité des quasi-particules mais il s'agit alors de spinons (des quasi-particules possédant le spin ½ d'un électron mais aucune charge) et de chargeons (chargons en anglais, d'autres quasi-particules cette fois-ci dépourvues de spin mais possédant la charge d'un électron). Dans un semi-conducteur, cela donnerait lieu aussi à la formation de holons, c'est-à-dire encore des chargeons mais avec une charge opposée à celle de l'électron. Les électrons sont toujours là en tant que particules élémentaires mais leur comportement est équivalent à celui d'un mélange de spinons et de chargeons/holons. On exprime parfois ce fait en disant que l'électron a été scindé en trois particules, mais l'expression est quelque peu abusive et même trompeuse.

L'existence des spinons et des chargeons n'a été vraiment démontrée qu'il y a quelques années seulement. Mais il manquait à l'appel une autre quasi-particule dont l'existence avait été découverte théoriquement vers la fin des années 1990 : l'orbiton. Elle tire son nom de sa caractéristique. Si un électron possède un moment cinétique intrinsèque, son spin, il a aussi un moment cinétique orbital lorsqu'il tourne autour d'un noyau. L'orbiton a été observé récemment.

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