Il y a plus de 90 ans, le physicien Eugene Wigner a prédit qu’à de faibles densités et à des températures froides, les électrons qui traversent généralement les matériaux gèleraient sur place, formant une glace électronique, ou ce qui a été surnommé un cristal de Wigner.
Alors que les physiciens ont obtenu des preuves indirectes de l’existence des cristaux de Wigner, personne n’a été en mesure d’en prendre une photo – jusqu’à présent.
Les physiciens de l’UC Berkeley publié dans la revue La nature une image d’une telle glace électronique prise en sandwich entre deux couches semi-conductrices. L’image est la preuve positive que ces cristaux existent.
Cette image au microscope à effet tunnel d’une feuille de graphène révèle qu’un cristal de Wigner – un arrangement d’électrons en nid d’abeille, comme une glace électronique – s’est formé à l’intérieur d’une structure en couches en dessous. Crédit image : Hongyuan Li et Shaowei Li, avec l’aimable autorisation de Nature
« Si vous dites que vous avez un cristal d’électrons, montrez-moi le cristal », a déclaré l’auteur principal Feng Wang, professeur de physique à Berkeley. La nature.
L’équipe de Berkeley et Berkeley Lab, impliquant des physiciens des laboratoires de Wang, Michael Crommie et Alex Zettl, a développé une nouvelle technique pour visualiser les cristaux, qui ont tendance à « fondre » lorsqu’ils sont sondés. En plaçant une feuille de graphène sur le sandwich semi-conducteur, l’équipe a pu sonder le cristal de Wigner avec un microscope à effet tunnel sans faire fondre l’échantillon et démontrer la structure du réseau cristallin, comme l’avait prédit Wigner.
Selon le doctorant Hongyuan Li et l’ancien boursier postdoctoral Shaowei Li, co-premiers auteurs de l’article, l’étude pose non seulement une base solide pour comprendre les cristaux de Wigner électroniques, mais fournit également une approche qui est généralement applicable pour l’imagerie des réseaux d’électrons corrélés dans d’autres systèmes.
« La technique est non invasive pour l’état que vous souhaitez sonder. Pour moi, c’est une idée très intelligente », a déclaré le physicien Kin Fai Mak de l’Université Cornell. La nature.
Imagerie des nuages d’électrons avec du graphène
Les électrons à l’intérieur des matériaux se comportent de nombreuses manières étranges, mais presque toujours à grande vitesse. Wigner a prédit que si elles pouvaient être ralenties, leur répulsion naturelle – les particules ayant la même charge électrique se repoussent les unes les autres – leur permettrait de prendre une disposition uniformément espacée, essentiellement une structure cristalline.
Les chercheurs de l’UC Berkeley ont utilisé une pointe de microscope à effet tunnel (en haut) pour imager une feuille de graphène (rose) qui, comme du papier photographique, a enregistré les positions des électrons (rouge) dans le cristal de Wigner, qui s’est formé entre deux feuilles de matériau semi-conducteur (bleu et vert). Crédit image : le laboratoire de Feng Wang
L’équipe a créé les cristaux Wigner en formant un sandwich de couches à un seul atome de deux semi-conducteurs similaires : le disulfure de tungstène et le diséléniure de tungstène. Les chercheurs ont utilisé un champ électrique pour régler la densité des électrons entre les deux couches, puis ont refroidi l’ensemble de l’appareil à une température d’environ 5 Kelvin, proche du zéro absolu.
Leur première tentative de mesurer la densité électronique dans le sandwich de cristal bidimensionnel avec un microscope à effet tunnel (STM) a détruit le cristal. L’équipe a suggéré de recouvrir l’appareil d’une feuille de graphène, qui agit comme une feuille de papier photo pour enregistrer l’emplacement des électrons. Les scientifiques ont utilisé le STM pour lire l’image électronique sur le graphène – comme prévu, les électrons se sont installés dans un arrangement cristallin avec une séparation près de 100 fois supérieure à la séparation des atomes dans les feuilles semi-conductrices.
La source: UC Berkeley
