Dans la revue Science, une équipe de chercheurs annonce avoir identifié un nouvel état de la matière constitué de particules appelées excitons en projetant un puissant faisceau de lumière à travers deux composés chimiques. Que retenir de cette nouvelle découverte ?
Fermions et bosons
Pour comprendre cette nouvelle découverte, il est essentiel de revenir sur quelques points fondamentaux. Tout d’abord, les particules subatomiques peuvent être classées en deux catégories : les fermions et les bosons. Les fermions, tels que les électrons et les protons, sont souvent considérés comme les éléments constitutifs de la matière (ils constituent les atomes). Les bosons, quant à eux, transportent une force (comme les photons). Ils cimentent en quelque sorte l’univers en liant les forces fondamentales de la nature.
Notez ensuite que les fermions ont un spin demi-entier, ce qui signifie qu’ils peuvent avoir des valeurs de spin (comme 1/2, 3/2, etc.). À l’inverse, les bosons ont un spin entier (0, 1, 2, etc.). Pour rappel, le spin est une propriété quantique qui décrit le moment angulaire intrinsèque d’une particule.
Enfin, les fermions obéissent au principe d’exclusion de Pauli selon lequel deux fermions identiques ne peuvent occuper le même état quantique simultanément. Cela signifie qu’il ne peut y avoir qu’un seul fermion dans un état donné. En revanche, les bosons ne sont pas soumis à ce principe. Ainsi, plusieurs bosons peuvent occuper le même état quantique. Autrement dit, « les bosons peuvent occuper le même niveau d’énergie, mais les fermions ne supportent pas de rester ensemble« , résume ainsi Chenhao Jin, de l’Université de Californie à Santa Barbara et principal auteur de ces travaux.
Un nouvel état exotique de la matière
Cependant, il existe un cas dans lequel deux fermions peuvent devenir un boson. Si un électron chargé négativement est fixé à un « trou » chargé positivement dans un fermion différent, il forme en effet une particule bosonique appelée « exciton ».
Pour déterminer comment les excitons interagissent les uns avec les autres, Chenhao Jin et son équipe ont superposé un réseau de disulfure de tungstène sur un réseau similaire dans un motif de chevauchement appelé moiré. Ils ont ensuite projeté un puissant faisceau de lumière à travers les réseaux (spectroscopie pompe-sonde). De cette manière, les chercheurs ont mené les excitons à se rassembler au point de former une matière si dense qu’ils ne pouvaient plus bouger. Ils ont ainsi créé un isolant bosonique corrélé, considéré comme un nouvel état exotique de la matière.
Les chercheurs ont déclaré que c’était la première fois que ce nouvel état de la matière était créé dans un système de matière « réel » (non synthétique), ce qui offre un nouvel aperçu du comportement des bosons
« De manière conventionnelle, les gens ont consacré la plupart de leurs efforts à comprendre ce qui se passe lorsque vous assemblez de nombreux fermions« , note Chenhao Jin. « L’idée maîtresse de notre travail est que nous avons essentiellement créé un nouveau matériau à partir de bosons en interaction.«
Les méthodes utilisées par ces travaux pourraient aider les physiciens à créer de nouveaux types supplémentaires de matériaux bosoniques. Nous savons en effet que certains matériaux ont des propriétés très étranges. L’un des objectifs de la physique de la matière condensée est justement de comprendre ces comportements dans le but de mieux les contrôler.
