Depuis les années 1970, les scientifiques cherchent à prouver l’existence de cette étrange forme de manière qu’est l’excitonium. Mais à présent, des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont annoncé une nouvelle passionnante : la toute première observation expérimentale de cette nouvelle forme de matière.

Ce matériau est composé d’une particule composite qui pourrait permettre à la matière d’agir comme un superfluide, un supraconducteur ou même comme un cristal électronique isolant. Le professeur de physique Peter Abbamonte et son équipe ont travaillé avec des collègues de l’Illinois, de l’Université de Californie, de Berkeley et de l’Université d’Amsterdam pour prouver une fois pour toutes, l’existence de ce type de matière mystérieuse et théorisée depuis plus de 50 ans.

L’excitonium est un condensé composé d’excitons (des quasi-particules que l’on peut voir comme une paire électron-trou), qui sont donc ce que vous obtenez lorsque vous combinez des électrons échappés avec les « trous » qu’ils ont laissé derrière eux. Cette combinaison mécanique-quantique est possible car, dans les semi-conducteurs, les électrons situés à la limite d’un niveau d’énergie autour d’un atome sont capables, lorsqu’ils sont excités, de sauter au niveau d’énergie suivant, laissant un « trou » au niveau précédent.

Ce trou agit alors comme une particule chargée positivement, attirant l’électron chargé négativement qui s’est échappé.

C’est au cœur d’un dichalcogénure de métal de transition (le diséléniure de titane) que les chercheurs ont pu observer l’existence des excitons pour la toute première fois. L’équipe de chercheurs a même réussi à reproduire les résultats cinq fois, et séparément.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas les outils expérimentaux nécessaires pour distinguer avec certitude s’ils détectaient l’excitonium ou une autre phase similaire de la matière. Cependant, en utilisant une nouvelle technique, l’équipe de recherche a pu mesurer pour la toute première fois et de façon définitive, les excitations collectives des particules bosoniques de basse énergie, des électrons appariés et des trous, quel que soit leur dynamisme.

En d’autres termes, il s’agit de la toute première observation d’une phase de plasmon souple, qui est le précurseur de la condensation d’excitons. « Depuis que le terme « excitonium » a été inventé dans les années 1960 par le physicien théoricien de Harvard, Bert Halperin, les physiciens ont cherché à démontrer son existence. Les théoriciens ont débattu pour savoir si ce serait un isolant, un conducteur parfait ou un superfluide – avec des arguments convaincants de tous les côtés », explique Abbamonte.

« Depuis les années 1970, de nombreux expérimentateurs ont publié des preuves de l’existence de l’excitonium, mais leurs résultats ne faisaient pas office de  preuve définitive et pouvaient également être expliqués par une transition de phase structurelle classique », a-t-il ajouté.

Maintenant qu’il a été prouvé que l’excitonium existe et qu’il a été concrètement observé de manière expérimentale, ses propriétés peuvent être explorées plus en détail et appliquées. Les chercheurs étudient les possibles applications pratiques liées à cette découverte.

En tant que supraconducteur et superfluide, ce matériau pourrait être utilisé pour faire progresser les technologies existantes par exemple. Mais bien entendu, ces applications, en particulier celles qui concernent les technologies pratiques, sont purement spéculatives à ce stade.

Il est encore impossible de prédire exactement ce que l’avenir pourrait réserver à l’excitonium, mais les chercheurs restent convaincus que cette découverte permettra de mettre en lumière certains des mystères de la mécanique quantique.

Sources : Science, PhysOrg

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