Les électrons jouent de nombreux rôles dans des matériaux solides. Lorsqu'ils sont faiblement liés et capables de voyager – iie, mobile – ils peuvent permettre la conduction électrique. Lorsqu'ils sont liés ou «lourds», ils peuvent agir comme des isolateurs. Cependant, dans certains matériaux solides, ce comportement peut être nettement différent, soulevant les questions sur la façon dont ces différents types d'électrons interagissent.
Dans une étude qui vient d'être publiée dans Physique de la natureles chercheurs travaillant avec le professeur de physique et la physique appliquée Amir Yacoby à Harvard ont examiné l'interaction entre les deux types d'électrons dans ce matériau, jetant un nouvel éclairage sur la façon dont ils peuvent aider à former de nouveaux états quantiques.
« Avant notre travail, les gens ne pouvaient demander que » quel est l'État fondamental global? « », A déclaré Andrew T. Pierce, l'un des principaux auteurs du journal. Pierce, actuellement membre de l'Université Cornell, était étudiante diplômée au laboratoire de Yacoby lorsqu'ils ont commencé à étudier cette question. Ce qui n'était pas clair, c'est la vraie nature de ces différents états et comment les électrons légers et lourds séparés ont uni leurs forces pour les former.
De plus, en raison du rôle le plus évident des électrons lourds pour conduire des isolateurs, les électrons légers ont souvent été rejetés comme « ne rien faire » ou « des spectateurs », a déclaré Yonglong Xie, l'un des principaux auteurs du journal. Un ancien prix postdoctoral de l'initiative quantum de Harvard au laboratoire de Yacoby, Xie, maintenant professeur adjoint à l'Université Rice, a noté que l'effet de ces électrons légers sur le système global était difficile à détecter.
On pense que l'interaction entre les électrons avec différentes masses entraîne des phénomènes quantiques complexes. Dans le nouveau matériau connu sous le nom de graphène Tlirayer à angle magique (Mattg), où trois couches de graphène sont empilées avec la feuille médiane légèrement tournée, les électrons avec de petites et grandes masses coexistent. Ce matériau soutient une pléthore de phénomènes quantiques exotiques, y compris la supraconductivité (c'est-à-dire la conduction électrique sans chauffage), fournissant ainsi un nouveau cadre pour répondre à cette question.
Pour comprendre ce qui se passait dans ces cas, les chercheurs ont utilisé une forme spécialisée de microscopie, connue sous le nom de transistor à balayage unique (ensemble de balayage), lancée par Yacoby, pour examiner de minuscules « flaques » dans le Mattg où les électrons sont piégés lorsque le Mattg entre dans un état isolant. L'ensemble de balayage a indiqué que si les électrons lourds permettent des états isolants, les électrons légers restent mobiles, suggérant qu'ils devraient participer à la formation des nouveaux états, y compris la supraconductivité.
« Les électrons lourds forment un isolant entre eux, créant l'illusion d'un état isolant global, mais en réalité, les électrons légers restent libres », a précisé Pierce. « Cela soulève la possibilité que les électrons légers puissent médier les interactions entre les électrons lourds. »
Cette découverte surprenante souligne à quel point l'interaction entre les électrons légers et lourds peut être complexe, ont déclaré les chercheurs. Ils ont suggéré d'explorer d'autres méthodes de «réglage» le rapport des électrons lourds et légers dans les matériaux bidimensionnels conduiront à de nouvelles découvertes passionnantes.
« Le problème des électrons légers et lourds coexistants en solides est de longue date, et nous espérons que notre schéma de démolition de leurs rôles donne une nouvelle approche à ces matériaux intrigants », a déclaré Pierce.
