Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont observé pour la première fois un condensat de Bose-Einstein d’excitons tunable dans un semi-conducteur bidimensionnel. Publiée dans Nature, cette avancée révèle une structure interne complexe contrôlable par champ magnétique, ouvrant de nouvelles perspectives pour les technologies quantiques et l’infiniment petit.
Lawrence Berkeley National Laboratory et les condensats de Bose-Einstein
Décrit souvent comme le cinquième état de matière, le condensat de Bose-Einstein (BEC) correspond à un régime où une multitude de particules perdent leur individualité pour agir de concert comme un objet quantique unique. Durant plus de soixante ans, la communauté scientifique s’est évertuée à façonner de tels condensats à partir d’excitons, c’est-à-dire des paires constituées d’un électron et d’un trou, afin de concrétiser une voie solide vers la cohérence quantique macroscopique selon les détails rapportés sur l’avancée.
Obtenir ce phénomène s’est avéré particulièrement complexe au sein de dispositifs semi-conducteurs pilotables. Les excitons générés par la lumière affichent généralement une durée de vie extrêmement brève, de l’ordre d’un milliardième de seconde, tandis que les BEC exigent traditionnellement des gaz ultra-froids placés sous vide. Pour contourner cette contrainte d’instabilité, l’équipe menée par le Lawrence Berkeley National Laboratory a conçu un composant semi-conducteur bidimensionnel hébergeant des excitons directement dans leur état fondamental, plutôt que dans un état excité.
Cette architecture novatrice a permis aux quasiparticules d’atteindre l’équilibre thermodynamique et de persister sous forme de condensat. En soumettant le dispositif à des conditions cryogéniques proches du zéro absolu et en employant une technique de spectroscopie magnéto-optique, les chercheurs ont pu analyser la réaction des électrons et des trous face à de faibles champs magnétiques. Des grilles électriques disposées de part et d’autre du composant garantissent un contrôle précis de la densité de ces paires.
Contrairement aux prévisions initiales, les signatures du condensat ont résisté jusqu’à environ 2 Kelvin. Bien que cette valeur demeure extrêmement basse, elle surpasse de plusieurs millions de fois les températures observées lors des démonstrations antérieures réalisées avec des gaz atomiques froids.
Ruishi Qi, co-premier auteur de l’étude et ancien chercheur doctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory, a souligné, cité par Newswise, que ce qui était inhabituel ici était le fait que les excitons n’étaient pas de simples particules de courte durée créées par la lumière.
Degrés de liberté de spin-vallée dans les semi-conducteurs
Au sein de ces semi-conducteurs ultraminces, les électrons et les trous transportent non seulement une charge et un spin, mais également une propriété quantique spécifique appelée « vallée », intimement liée à leur mouvement au cœur du réseau cristallin d’après les précisions fournies sur les degrés de liberté. Ces degrés de liberté dits de spin-vallée dotent les excitons de plusieurs configurations possibles, comparables à des structures de spin de type haut-haut, bas-bas, haut-bas ou bas-haut.
L’analyse menée par le groupe piloté par Berkeley a mis en lumière un fait marquant : le condensat ne se résume pas à un état quantique uniforme à une seule composante. Il comporte deux composantes distinctes, dotées chacune de variations internes de structure spin-vallée. Cette dualité engendre une pluralité de phases de condensation modulables.
Ruishi Qi, co-premier auteur de l’étude, a indiqué, via Miragenews, que le point passionnant résidait dans le fait qu’il ne s’agissait pas simplement d’un condensat ordinaire, mais qu’il possédait des structures internes qu’ils pouvaient contrôler et qu’en appliquant simplement un petit champ magnétique, ils parvenaient à commuter ce même fluide d’excitons entre différents états quantiques.
Feng Wang et le département de physique de l’Université de Californie à Berkeley
L’investigateur principal Feng Wang, professeur au département de physique de l’Université de Californie à Berkeley et scientifique senior à la division des sciences des matériaux du laboratoire national, a indiqué que bien que des études antérieures aient démontré que les électrons et les trous pouvaient se lier pour former des excitons, il n’existait pas de moyen simple de déterminer si ces excitons formaient un condensat, et qu’il était également impossible de déterminer quel type d’ordre quantique interne ce condensat possédait, tandis que leur travail offrait un moyen d’accéder directement à cette structure cachée.
Ces observations ouvrent un nouveau terrain d’investigation pour l’étude des fluides quantiques au sein des matériaux solides. Les applications potentielles s’étendent aux simulations quantiques de nouvelle génération, à l’optoélectronique cohérente destinée aux télécommunications et au calcul informatique avancé, ainsi qu’à la conception de dispositifs à base d’excitons visant une efficacité accrue.
L’équipe de recherche associe des contributions de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université du Texas à Austin et du National Institute for Materials Science au Japon, avec le soutien financier du département de l’Énergie des États-Unis. Les scientifiques ambitionnent désormais de concrétiser des circuits et des dispositifs quantiques fondés sur l’exploitation de ce fluide superfluide.
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