Des chercheurs ont découvert un matériau exotique composé de bosons, des particules subatomiques pouvant occuper le même état quantique simultanément. Cette découverte, une première en son genre, pourrait avoir des impacts majeurs sur notre compréhension de la matière. Les implications sont vastes, allant de la résolution de questions profondes en physique quantique à des applications potentielles dans des domaines tels que l’informatique quantique et les technologies laser.
Les scientifiques sont toujours à la recherche du prochain matériau qui pourrait changer notre compréhension de la matière dans le but d’aider à développer de nouvelles technologies. Que ce soit pour améliorer l’efficacité énergétique, concevoir des ordinateurs plus puissants ou percer les mystères de la physique quantique, la découverte de nouveaux matériaux joue un rôle crucial. Parmi ces matériaux, ceux composés de particules subatomiques, comme les bosons, suscitent un intérêt particulier en raison de leurs propriétés uniques et de leur potentiel d’application dans divers domaines de la science et de la technologie.
Récemment, une équipe de l’Université de Californie à Santa Barbara et de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon marque une avancée significative dans la compréhension de la matière à l’échelle quantique. Ils ont mis au point un matériau exotique composé de bosons. Cette découverte est novatrice, car elle offre une nouvelle perspective sur le comportement de ces particules, qui peuvent occuper le même état quantique simultanément. L’étude est publiée dans la revue Science.
Un matériau bosonique
Les bosons sont une classe de particules subatomiques qui se distinguent par leur spin, une propriété intrinsèque qui détermine comment elles se comportent à des échelles quantiques. Contrairement aux fermions, qui ont un spin demi-entier et qui suivent le principe d’exclusion de Pauli (ce qui signifie qu’aucun fermion ne peut occuper le même état quantique qu’un autre au même moment), les bosons ont un spin entier et peuvent occuper le même état quantique simultanément.
Chenhao Jin, auteur principal, explique dans un communiqué : « De manière conventionnelle, les gens ont consacré la majorité de leurs efforts à comprendre ce qui se passe lorsque de nombreux fermions sont assemblés ». Il ajoute : « L’idée maîtresse de notre travail est que nous avons essentiellement créé un nouveau matériau à partir de bosons en interaction ».
L’équipe de chercheurs, dirigée par le professeur David Weld, a donc réussi à créer un matériau composé de bosons. Ce matériau est aussi un « condensat de Bose-Einstein », un état de la matière qui se produit lorsque les bosons sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Dans cet état, les bosons se comportent comme une seule particule géante, ce qui permet aux scientifiques de les étudier plus facilement.
Un réseau exotique à l’horizon
Plus précisément, ce matériau unique est un cristal hautement ordonné de particules bosoniques appelées excitons. Sa création a impliqué une technique de superposition de deux matériaux bidimensionnels. Les auteurs ont formé un réseau en superposant une couche de diséléniure de tungstène et une couche de disulfure de tungstène. Ces deux couches n’étaient pas parfaitement alignées, créant ainsi un motif moiré. Ce dernier se produit lorsque deux grilles sont superposées avec un léger angle de décalage, créant un nouveau motif plus grand.
En utilisant une technique basée sur la lumière, appelée spectroscopie pompe-sonde, les chercheurs ont créé et sondé les comportements des excitons dans leur système — les électrons du disulfure de tungstène et les « trous » du diséléniure de tungstène.
Il faut savoir que deux fermions — un électron chargé négativement et un « trou » opposé chargé positivement où un électron pourrait se trouver — peuvent également se lier pour former un exciton avec un spin entier complet, qui est alors également capable de fonctionner comme une particule de boson.
Les défis à venir
La création de cet état exotique de la matière prouve que la plateforme de moiré et la spectroscopie pompe-sonde de l’équipe pourraient devenir un moyen efficace de créer et d’étudier les matériaux bosoniques. Rachen Xiong, co-auteur de l’étude, explique : « Ce que nous avons fait, c’est créer une plate-forme, car nous n’avions pas vraiment un excellent moyen d’étudier les bosons dans de vrais matériaux. Bien que les excitons soient bien étudiés jusqu’à ce projet, il n’y avait pas eu de moyen de les persuader d’interagir fortement les uns avec les autres ».
Avec cette méthode, selon Jin, il pourrait être possible non seulement d’étudier des particules bosoniques bien connues comme les excitons, mais aussi d’ouvrir plus de fenêtres sur le monde de la matière condensée avec de nouveaux matériaux bosoniques.
Leur travail a des implications profondes pour la physique. Ce nouveau matériau pourrait aider à résoudre certaines des questions les plus profondes de la physique quantique, comme la nature de la superfluidité et de la supraconductivité.
Si les chercheurs parviennent à contrôler et à manipuler les états de la matière liés au matériau, cela pourrait avoir des implications pour l’informatique quantique, mais aussi pour les technologies laser. Cependant, il est important de souligner que ces implications sont largement spéculatives et nécessiteront des recherches futures pour confirmer leur validité et leur applicabilité.
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