Les chercheurs ont découvert le démon de Pines, une collection d’électrons dans un métal qui se comporte comme une onde sans masse. Crédit : Le Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign
67 ans après sa prédiction théorique par David Pines, l’insaisissable particule « démon », une entité sans masse et neutre dans les solides, a été détectée dans le ruthénate de strontium, soulignant la valeur des approches de recherche innovantes.
En 1956, le physicien théoricien David Pines a prédit que les électrons présents dans un solide pouvaient faire quelque chose d’étrange. Bien que les électrons aient généralement une masse et une charge électrique, Pines a affirmé qu’ils pourraient se combiner pour créer une particule composite sans masse, neutre et n’interagissant pas avec la lumière. Il a nommé cette particule théorique un « démon ». Depuis lors, il a été théorisé qu’il joue un rôle important dans le comportement d’une grande variété de métaux. Malheureusement, les mêmes propriétés qui le rendent intéressant lui ont permis d’échapper à la détection depuis sa prédiction.
67 ans plus tard, une équipe de recherche dirigée par Peter Abbamonte, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC), a finalement trouvé le démon insaisissable de Pines. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Natureils ont utilisé une technique expérimentale non standard qui excite directement les modes électroniques d’un matériau, leur permettant de voir la signature du démon dans le ruthénate de strontium métallique.
« Les démons ont été conjecturés théoriquement depuis longtemps, mais les expérimentateurs ne les ont jamais étudiés », a déclaré Abbamonte. « En fait, nous ne le cherchions même pas. Mais il s’est avéré que nous faisions exactement la bonne chose, et nous l’avons trouvé. »
Le démon insaisissable
L’une des découvertes les plus importantes de la physique de la matière condensée est que les électrons perdent leur individualité dans les solides. Les interactions électriques font que les électrons se combinent pour former des unités collectives. Avec suffisamment d’énergie, les électrons peuvent même former des particules composites appelées plasmons avec une nouvelle charge et une nouvelle masse déterminées par les interactions électriques sous-jacentes. Cependant, la masse est généralement si grande que les plasmons ne peuvent pas se former avec les énergies disponibles à température ambiante.
Pines a trouvé une exception. Si un solide possède des électrons dans plus d’une bande d’énergie, comme le font de nombreux métaux, il a fait valoir que leurs plasmons respectifs peuvent se combiner selon un motif déphasé pour former un nouveau plasmon sans masse et neutre : un démon. Puisque les démons n’ont pas de masse, ils peuvent se former avec n’importe quelle énergie et peuvent donc exister à toutes températures. Cela a conduit à spéculer sur leur effet important sur le comportement des métaux multibandes.
La neutralité des démons signifie qu’ils ne laissent pas de signature dans les expériences standards sur la matière condensée. « La grande majorité des expériences sont réalisées avec la lumière et mesurent les propriétés optiques, mais le fait d’être électriquement neutre signifie que les démons n’interagissent pas avec la lumière », a déclaré Abbamonte. « Un type d’expérience complètement différent était nécessaire. »
Une découverte inattendue
Abbamonte rappelle que lui et ses collaborateurs étudiaient le ruthénate de strontium pour une raison sans rapport : le métal est similaire aux supraconducteurs à haute température sans en être un. Dans l’espoir de trouver des indices sur la raison pour laquelle ce phénomène se produit dans d’autres systèmes, ils ont mené la première étude des propriétés électroniques du métal.
Le groupe de recherche de Yoshi Maeno, professeur de physique à l’Université de Kyoto, a synthétisé des échantillons de haute qualité du métal qu’Abbamonte et l’ancien étudiant diplômé Ali Husain ont examinés par spectroscopie de perte d’énergie électronique résolue en impulsion. Technique non standard, elle utilise l’énergie des électrons projetés dans le métal pour observer directement les caractéristiques du métal, y compris les plasmons qui se forment. En parcourant les données, les chercheurs ont découvert quelque chose d’inhabituel : un mode électronique sans masse.
Husain, aujourd’hui chercheur à Quantinuum, se souvient : « Au début, nous n’avions aucune idée de ce que c’était. Les démons ne font pas partie du courant dominant. L’éventualité s’est présentée très tôt et nous en avons fondamentalement ri. Mais à mesure que nous avons commencé à exclure toute hypothèse, nous avons commencé à soupçonner que nous avions réellement trouvé le démon.
Edwin Huang, chercheur postdoctoral Moore à l’UIUC et théoricien de la matière condensée, a finalement été invité à calculer les caractéristiques de la structure électronique du ruthénate de strontium. « La prédiction des démons par Pines nécessite des conditions plutôt spécifiques, et il n’était clair pour personne si le ruthénate de strontium devait avoir un démon », a-t-il déclaré. « Nous avons dû effectuer un calcul microscopique pour clarifier ce qui se passait. Lorsque nous avons fait cela, nous avons trouvé une particule constituée de deux bandes d’électrons oscillant hors de phase avec une amplitude presque égale, tout comme Pines l’a décrit.
Le hasard de la recherche
Selon Abbamonte, ce n’est pas un hasard si son groupe a découvert le démon « par hasard ». Il a souligné que lui et son groupe utilisaient une technique peu répandue sur une substance peu étudiée. Selon lui, le fait qu’ils aient trouvé quelque chose d’inattendu et d’important est dû au simple fait d’avoir essayé quelque chose de différent, plutôt qu’à la pure chance.
« Cela témoigne de l’importance de simplement mesurer les choses », a-t-il déclaré. « La plupart des grandes découvertes ne sont pas planifiées. Allez chercher un nouvel endroit et voyez ce qu’il y a là-bas.
Abbamonte est membre du Laboratoire de recherche sur les matériaux de l’UIUC. Huang est membre de l’Institut de théorie de la matière condensée de l’UIUC.
Les professeurs Philip Phillips de l’UIUC, Matteo Mitrano de l’Université Harvard, Bruno Uchoa de l’Université d’Oklahoma et Philip Baston de l’Université Rutgers ont contribué à ces travaux.
Le soutien a été fourni par le Département américain de l’énergie, la Société japonaise pour la promotion de la science, la National Science Foundation et la Fondation Gordon et Betty Moore.
