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Des chercheurs prennent la première image d’un électron gelé

La glace électronique désormais possible grâce au graphène
A thin, flexible gel-like material held up carefully after a scientific experiment. Its transparency is accentuated in the back-lit environment.

Il y a plus de 90 ans, le physicien Eugene Wigner a prédit qu’à de faibles densités et à des températures froides, les électrons qui traversent habituellement les matériaux se figent sur place. Ils forment ainsi une glace électronique ou ce que l’on a appelé un cristal de Wigner. Les physiciens ont obtenu des preuves indirectes de l’existence des cristaux de Wigner. Toutefois, personne n’a pu en prendre une photo, jusqu’à présent. Mais la semaine dernière, les physiciens de l’UC Berkeley ont publié dans la revue Nature une image d’un tel cristal d’électrons. Un cristal pris en sandwich entre deux couches de semi-conducteurs. L’image prouve que ces cristaux existent.

« Si vous dites que vous avez un cristal d’électrons, montrez-moi le cristal », a déclaré à Nature l’auteur principal, Feng Wang, professeur de physique à Berkeley.

L’équipe de Berkeley et du Berkeley Lab, composée de physiciens des laboratoires de Wang, Michael Crommie et Alex Zettl, a mis au point une nouvelle technique pour visualiser les cristaux, qui ont tendance à « fondre » lorsqu’on les sonde. L’équipe a placé une feuille de graphène sur le sandwich semi-conducteur. Ce qui lui a permis de sonder le cristal de Wigner avec un microscope à effet tunnel sans faire fondre l’échantillon. Elle a pu également démontrer la structure du réseau cristallin, comme l’avait prédit Wigner.

Selon Hongyuan Li et Shaowei Li, coauteurs de l’article, l’étude jette des bases solides pour la compréhension des cristaux de Wigner électroniques. Elle fournit également une approche qui est généralement applicable pour l’imagerie des réseaux électroniques corrélés dans d’autres systèmes.

« La technique est non invasive pour l’état que vous voulez sonder. Pour moi, c’est une idée très intelligente », a déclaré à Nature le physicien Kin Fai Mak de l’université Cornell.

« Glace électronique : désormais possible grâce au graphène

Les électrons à l’intérieur des matériaux se comportent de nombreuses façons étranges. Toutefois, ils se déplacent presque toujours à grande vitesse. Wigner a prédit que s’ils pouvaient être ralentis, leur répulsion naturelle — les particules ayant la même charge électrique se repoussent les unes les autres — leur permettrait de prendre une disposition uniformément espacée, essentiellement une structure cristalline.

L’équipe a créé les cristaux de Wigner en réalisant un sandwich de couches monoatomiques de deux semi-conducteurs similaires : le disulfure de tungstène et le diséléniure de tungstène. Les chercheurs ont utilisé un champ électrique pour régler la densité des électrons entre les deux couches. Puis ont refroidi l’ensemble du dispositif à une température d’environ 5 kelvins, proche du zéro absolu.

Leur première tentative de mesurer la densité d’électrons dans le sandwich cristallin bidimensionnel à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) a détruit le cristal. L’équipe a suggéré de recouvrir le dispositif d’une feuille de graphène. Une feuille qui agit comme une feuille de papier photo pour enregistrer l’emplacement des électrons. Les scientifiques ont utilisé le STM pour lire l’image des électrons sur le graphène. Comme prévu, les électrons se sont installés dans un arrangement cristallin. On note notamment une séparation près de 100 fois plus grande que la séparation des atomes dans les feuilles semi-conductrices.

 

 

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