Les arrangements réguliers d'atomes se manifestent à notre échelle par des cristaux réguliers. Un bon exemple est ici donné avec la pyrite de fer. © DP, Wikipédia

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Le cristal d'électrons de Wigner existe bel et bien

ActualitéClassé sous :physique , électron , cristal de Wigner

Les progrès de l'électronique moderne reposent sur une modélisation quantique des atomes et des charges dans les solides. On vient de confirmer dans ce domaine l'existence du cristal de Wigner et surtout d'observer sa fusion qui est conforme aux prédictions de la théorie.

La mécanique quantique est bien connue pour ses phénomènes défiant le sens commun. Il y a presque 80 ans, en 1934, le grand physicien hongrois Eugène Wigner a fait une étonnante prédiction avec elle en ce qui concerne le comportement des gaz d'électrons dans un métal. Les électrons ont tous la même charge et ils se repoussent donc électrostatiquement, ils ne devraient par former un solide à la façon des atomes liés par des forces dans un cristal. C'est pourtant la conclusion à laquelle Wigner est parvenu. En dessous d'une certaine densité et d'une certaine température, les répulsions entre les électrons peuvent les forcer à rester à une certaine distance les uns des autres et finalement à adopter une organisation minimisant leur énergie collective, qui est celle des réseaux cristallins d'atomes. On obtient donc ce qui est appelé un cristal de Wigner.

En 1967, l'astrophysicien Van Horn a suggéré que les ions positifs dans une naine blanche pouvaient également finir par donner un cristal de Wigner. Là encore, il ne s'agissait que d'une prédiction théorique. Mais des signes de leur existence, que ce soit dans des structures que l'on peut considérer comme étant bidimensionnelles ou en 3D, ont commencé à apparaître à partir des années 1970. Leur obtention n'est guère aisée et c'est dans les structures 2D qu'elle est la plus facile. Depuis le début des années 1990, les chercheurs ont eu des signes de leur existence dans les semi-conducteurs. Aussitôt des débats sur leur interprétation ont pris naissance. À présent, un groupe de physiciens états-uniens du MIT pense y avoir peut-être mis fin en publiant les résultats de leurs travaux dans un article de Nature Physics disponible sur arXiv.

Le physicien théoricien Eugène Wigner est célèbre pour son analyse du rôle des symétries et de la théorie des groupes en mécanique quantique. Comme Schrödinger, il s'intéressait au mysticisme du Vedanta indien. © BME OMIKK, 2005

La première observation de la fusion d'un cristal de Wigner

Raymond Ashoori et ses collègues auraient finalement fourni une preuve solide de l'existence d'un cristal de Wigner par sérendipité. On entend par là une découverte inattendue faite alors qu'un travail de recherche était conduit avec un objectif complètement différent. Les physiciens voulaient juste tester une nouvelle technique de mesure par spectroscopie basée sur l'effet tunnel dans le domaine des systèmes d'électrons piégés dans des structures en 2D en physique du solide. Ces systèmes font l'objet de recherches intensives depuis des décennies, comme le montre par exemple le prix Nobel de physique de 2016. Ces recherches ont d'ailleurs été renouvelées par la découverte du graphène.

Dans le cas présent, les chercheurs étudiaient un feuillet d'arséniure de gallium placé sous une couche d'arséniure d'aluminium et de gallium, traversée par des paquets d'électrons grâce à l'effet tunnel. Les mesures obtenues se sont révélées inhabituelles et c'est en cherchant à les interpréter que les physiciens sont arrivés à la conclusion qu'elles indiquaient la présence dans le feuillet de vibrations d'un cristal de Wigner d'électrons. Parmi les prédictions qui se sont trouvées en très bon accord avec celles déduites de la théorie de ce cristal, il y a celle qui affirme qu'au-delà d'une valeur très précise pour la densité d'électrons dans ce cristal, il va fondre. C'est d'ailleurs la véritable nouveauté avec ce travail, l'observation et la confirmation pour la première fois de la fusion d'un cristal de Wigner.

Encouragés par ces résultats, les physiciens du MIT veulent encore augmenter la précision de leur technique de spectroscopie pour essayer de déterminer des énergies qui correspondent à différents modes de vibration de ce cristal de Wigner. Plusieurs types de réseaux cristallins correspondants à différents groupes de symétries sont possibles et dans chaque cas, ces réseaux ne peuvent pas vibrer aux mêmes fréquences.

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