Des physiciens de la FSU observent une phase quantique hybride inédite des électrons

Des chercheurs de la Florida State University (FSU) ont mis en évidence une phase quantique inédite où les électrons présentent une dualité comportementale, oscillant entre une structure cristalline rigide et un mouvement de type liquide. Cette observation, détaillée dans la publication npj Quantum Materials, repose sur la capacité des électrons à se réorganiser dynamiquement sous des conditions quantiques spécifiques.

L'équipe de la FSU a utilisé des capacités de calcul sophistiquées, notamment celles fournies par le programme ACCESS de la National Science Foundation, pour modéliser et valider ces états de la matière complexes. Le fondement théorique de cette découverte s'appuie sur le concept du cristal de Wigner généralisé, une construction théorique proposée par Eugene Wigner en 1934, décrivant la solidification des électrons sous faible densité. Dans les conditions quantiques précises établies par l'équipe, ces réseaux d'électrons ordonnés peuvent subir une transition de phase, se liquéfiant pour autoriser une liberté de mouvement accrue.

Les scientifiques ont isolé un état intermédiaire qu'ils ont nommé état « flipper », où une partie des électrons reste fixe dans le réseau tandis que les autres se déplacent de manière chaotique. Cet état hybride manifeste simultanément des propriétés isolantes et conductrices, un effet quantique jusqu'alors non documenté dans la densité électronique étudiée. L'équipe de recherche, incluant Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani et Aman Kumar, a cartographié les diagrammes de phase en utilisant des techniques telles que la diagonalisation exacte et les simulations de Monte Carlo.

En ajustant les interactions au sein d'un super-réseau moiré bidimensionnel, les chercheurs ont démontré la coexistence de comportements électroniques à la fois solides et fluides. Contrairement au réseau triangulaire classique, le cristal de Wigner généralisé permet l'émergence de morphologies cristallines variées, y compris des structures en bandes ou en nid d'abeille. Ces travaux s'inscrivent dans la lignée des recherches computationnelles sur les transitions de phase quantiques, offrant une plateforme pour sonder l'intrication quantique et la physique à N-corps.

Les acteurs de l'industrie envisagent des conséquences substantielles pour les technologies quantiques, notamment dans l'élaboration de qubits plus robustes pour les ordinateurs quantiques tolérants aux fautes. La capacité à moduler les phases électroniques pourrait également accélérer le développement de la spintronique à faible consommation d'énergie et améliorer les dispositifs basés sur des matériaux comme le graphène. Un avantage notable est la possibilité d'observer ces effets quantiques complexes sans nécessiter des températures cryogéniques extrêmes, ouvrant la voie à des phénomènes quantiques à température ambiante.