Les physiciens observent directement les vortex dans le fluide électronique

Une équipe internationale de physiciens a observé des électrons circulant dans des tourbillons – une caractéristique de l’écoulement de fluide que les théoriciens avaient prédit que les électrons devraient présenter, mais qui n’a jamais été vue jusqu’à présent.

Lorsque l’électricité traverse la plupart des métaux et semi-conducteurs ordinaires, les impulsions et les trajectoires des électrons dans le courant sont influencées par les impuretés du matériau et les vibrations entre les atomes du matériau. Ces processus dominent le comportement des électrons dans les matériaux ordinaires.

Mais les physiciens théoriciens ont prédit qu’en l’absence de tels processus ordinaires et classiques, les effets quantiques devraient prendre le dessus.

À savoir, les électrons devraient capter le comportement quantique délicat les uns des autres et se déplacer collectivement, sous la forme d’un fluide électronique visqueux, semblable à du miel.

Ce comportement de type liquide devrait apparaître dans les matériaux ultrapropres et à des températures proches de zéro.

En 2017, le professeur Leonid Levitov du MIT et ses collègues de l’Université de Manchester ont signalé des signatures d’un tel comportement d’électron fluide dans le graphène.

Ils ont observé qu’un courant envoyé à travers le canal pouvait traverser les étranglements avec peu de résistance. Cela suggérait que les électrons du courant étaient capables de se faufiler collectivement à travers les points de pincement, un peu comme un fluide, plutôt que de se boucher, comme des grains de sable individuels.

Dans une nouvelle étude, le professeur Levitov et des physiciens de l’Institut Weizmann pour la science ont cherché à visualiser les tourbillons d’électrons.

Ils se sont concentrés sur le ditellurure de tungstène (WTe₂), un composé métallique ultrapropre qui s’est avéré présenter des propriétés électroniques exotiques lorsqu’il est isolé sous une forme 2D mince à un seul atome.

“Le ditellurure de tungstène est l’un des nouveaux matériaux quantiques où les électrons interagissent fortement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules”, a déclaré le professeur Levitov.

“De plus, le matériau est très propre, ce qui rend le comportement fluide directement accessible.”

Les chercheurs ont synthétisé des monocristaux purs de ditellurure de tungstène et exfolié de minces flocons du matériau.

Ils ont ensuite utilisé des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure au plasma pour modeler chaque flocon dans un canal central relié à une chambre circulaire de chaque côté.

Ils ont gravé le même motif dans de minces flocons d’or – un métal standard aux propriétés électroniques ordinaires et classiques.

Ils ont ensuite fait passer un courant à travers chaque échantillon à motifs à des températures ultra basses de 4,5 K et ont mesuré le flux de courant à des points spécifiques dans chaque échantillon, à l’aide d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur à balayage à l’échelle nanométrique (SQUID) sur une pointe.

En utilisant l’appareil pour scanner chaque échantillon, ils ont pu observer en détail comment les électrons circulaient à travers les canaux à motifs de chaque matériau.

Les auteurs ont observé que les électrons circulant à travers des canaux à motifs dans des flocons d’or le faisaient sans inverser la direction, même lorsqu’une partie du courant traversait chaque chambre latérale avant de rejoindre le courant principal.

En revanche, les électrons circulant à travers le ditellurure de tungstène traversaient le canal et tourbillonnaient dans chaque chambre latérale, tout comme l’eau le ferait en se vidant dans un bol.

Les électrons ont créé de petits tourbillons dans chaque chambre avant de refluer dans le canal principal.

“Nous avons observé un changement dans la direction de l’écoulement dans les chambres, où la direction de l’écoulement a inversé la direction par rapport à celle de la bande centrale”, a déclaré le professeur Levitov.

“C’est une chose très frappante, et c’est la même physique que celle des fluides ordinaires, mais qui se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une signature claire des électrons étant dans un régime fluide.

Les résultats paraissent aujourd’hui dans la revue La nature.

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A. Aharon-Steinberg et al. Observation directe des tourbillons dans un fluide électronique. La nature, mis en ligne le 6 juillet 2022 ; doi : 10.1038/s41586-022-04794-y