Les excitons bicouches forment un supersolide quantique

Le supersolide est en effet une phase très contre-intuitive. Il est composé de particules qui forment simultanément un cristal rigide et qui s’écoulent en même temps sans frottement puisque toutes les particules appartiennent au même état quantique unique.

Un solide devient « super » lorsque ses propriétés quantiques correspondent aux propriétés quantiques bien connues des supraconducteurs. Un supersolide a simultanément deux ordres, solide et super :

• solide en raison du motif répétitif dans l’espace des particules,
• super car les particules peuvent s’écouler sans résistance.

“Bien qu’un supersolide soit rigide, il peut s’écouler comme un liquide sans résistance”, explique l’auteur principal, le Dr Sara Conti (Université d’Anvers).

L’étude a été menée à l’UNSW (Australie), à ​​l’Université d’Anvers (Belgique) et à l’Université de Camerino (Italie).

Un voyage de 50 ans vers le supersolide exotique

Geoffrey Chester, professeur à l’Université Cornell, a prédit en 1970 que l’hélium-4 solide sous pression devrait afficher à basse température :

• Ordre solide cristallin, avec chaque atome d’hélium à un point spécifique d’un réseau régulièrement ordonné et, en même temps,
• Condensation de Bose-Einstein des atomes, avec chaque atome dans le même état quantique unique, de sorte qu’ils circulent sans résistance.

Cependant, au cours des cinq décennies suivantes, le supersolide de Chester n’a pas été détecté sans ambiguïté.

Des approches alternatives pour former un état de type supersolide ont rapporté des phases de type supersolide dans des systèmes à atomes froids dans des réseaux optiques. Il s’agit soit d’amas de condensats, soit de condensats de densité variable déterminée par les géométries de piégeage. Ces phases de type supersolide doivent être distinguées du supersolide original de Chester dans lequel chaque particule est localisée à sa place dans le réseau cristallin uniquement par les forces agissant entre les particules.

La nouvelle étude Australie-Europe prédit qu’un tel état pourrait plutôt être conçu dans des matériaux électroniques bidimensionnels (2D) dans une structure semi-conductrice, fabriquée avec deux couches conductrices séparées par une barrière isolante d’épaisseur d.

Une couche est dopée avec des électrons chargés négativement et l’autre avec des trous chargés positivement.

Les particules formant le supersolide sont une couche intermédiaire excitons, états liés d’un électron et d’un trou liés par leur forte attraction électrique. La barrière isolante empêche l’auto-annihilation rapide des paires liées aux excitons. Les tensions appliquées aux “portes” métalliques supérieures et inférieures règlent la séparation moyenne r₀ entre les excitons.

L’équipe de recherche prédit que les excitons de cette structure formeront un supersolide sur une large gamme de séparations de couches et de séparations moyennes entre les excitons. La répulsion électrique entre les excitons peut les contraindre dans un réseau cristallin fixe.

“Une nouveauté clé est qu’une phase supersolide avec une cohérence quantique de Bose-Einstein apparaît à des séparations de couches beaucoup plus petites que la séparation prévue pour le solide non super exciton qui est entraîné par la même répulsion électrique entre les excitons”, déclare le co-auteur correspondant, le professeur David Neilson (Université d’Anvers).

“De cette manière, le supersolide préempte le solide non super exciton. À des séparations encore plus grandes, le solide non superexciton finit par l’emporter et la cohérence quantique s’effondre.“

“Il s’agit d’un état extrêmement robuste, facilement réalisable dans des configurations expérimentales”, ajoute le co-auteur correspondant, le professeur Alex Hamilton (UNSW). “Ironiquement, les séparations de couches sont relativement importantes et sont plus faciles à fabriquer que les séparations de couches extrêmement petites dans de tels systèmes qui ont fait l’objet d’expériences récentes visant à maximiser les énergies de liaison des excitons intercouches.”

Quant à la détection, pour un superfluide, il est bien connu que celui-ci ne peut pas être mis en rotation tant qu’il ne peut pas héberger un vortex quantique, analogue à un tourbillon. Mais pour former ce vortex, il faut une quantité finie d’énergie, et donc une force de rotation suffisamment forte. Ainsi, jusqu’à ce point, le moment d’inertie de rotation mesuré (la mesure dans laquelle un objet résiste à l’accélération de rotation) restera nul. De la même manière, un supersolide peut être identifié en détectant une telle anomalie dans son moment d’inertie de rotation.

L’équipe de recherche a rapporté le diagramme de phase complet de ce système à basse température.

“En modifiant la séparation des couches par rapport à l’espacement moyen des excitons, la force des interactions exciton-exciton peut être ajustée pour stabiliser soit le superfluide, soit le supersolide, soit le solide normal”, explique le Dr Sara Conti.

“L’existence d’un point triple est également particulièrement intrigante. À ce stade, les limites de la fusion du supersolide et du solide normal, et la transition du supersolide au solide normal, se croisent toutes. Il devrait y avoir une physique passionnante provenant des interfaces exotiques séparant ces domaines, par exemple, Josephson créant un tunnel entre des flaques d’eau supersolides intégrées dans un fond normal.”