Monde de la physique : « Un effet collectif »

Les électrons, qui, selon le modèle standard de la physique des particules, constituent l’un des éléments fondamentaux de la matière, sont des particules chargées électriquement. Ils portent en fait une charge élémentaire négative – la plus petite charge électrique présente dans la nature. Mais dans des circonstances particulières, les électrons peuvent se comporter comme s’ils ne portaient pas une charge élémentaire entière, mais seulement une fraction de celle-ci. Dans une interview avec World of Physics, Gabriel Aeppli de l’ETH Zurich parle de cet effet exotique, que lui et une équipe internationale ont maintenant démontré sur un métal.

Monde de la Physique : Comment se fait-il qu’un électron n’ait pas sa charge élémentaire habituelle ?

Gabriel Aeppli : Normalement, tous les électrons portent une charge élémentaire négative qui les lie aux noyaux atomiques chargés positivement. Les noyaux atomiques contiennent des neutrons neutres et des protons chargés positivement, qui possèdent également exactement une charge élémentaire. Si nous regardons ces composants des atomes, nous voyons qu’ils portent tous une charge élémentaire exactement négative ou positive – ou, comme les neutrons, n’ont aucune charge. Cependant, dans certains solides, il peut arriver que les électrons présentent soudainement un comportement inhabituel, accompagné de charges dites fractionnées, c’est-à-dire des charges divisées.

Quelle est la raison de ce fractionnement des charges ?

La raison réside dans les effets quantiques particuliers qui peuvent se produire dans certains matériaux. Dans de tels matériaux, les électrons ne circulent pas librement à travers le matériau en tant que porteurs de charge individuels, comme dans un métal ordinaire. Au contraire, ils interagissent fortement les uns avec les autres et avec un champ magnétique et perdent ainsi une partie de leur individualité. On parle aussi d’États composites. Dans ceux-ci, les électrons sont liés à d’autres électrons ainsi qu’au champ magnétique du matériau. Or, les étranges lois de la physique quantique garantissent que, dans de telles conditions, les électrons peuvent se trouver simultanément dans différents états énergétiques, l’un d’entre eux contenant deux fois la charge de l’autre état. Les deux états, une fois additionnés, produisent la charge élémentaire de l’électron. Cela signifie qu’un état correspond à une charge d’un tiers de la charge élémentaire, l’autre état à une charge de deux tiers. Ainsi, vous pouvez voir des états électroniques avec des charges d’un tiers et deux tiers dans le matériau.

Cela peut-il également se produire pour des électrons individuels qui ne sont pas liés à d’autres électrons ?

En tant que particule individuelle, un électron doit toujours avoir exactement une charge élémentaire complète. Le fractionnement des charges est simplement un effet collectif. Nous le constatons également dans les mesures que nous avons effectuées à l’Université de Genève. Là, nous projetons la lumière ultraviolette d’un laser sur le matériau et libérons ainsi des électrons. Nous utilisons l’effet photoélectrique pour lequel Albert Einstein reçut à l’époque le prix Nobel. Dès que les électrons ont quitté le solide, ils se comportent à nouveau normalement et portent à nouveau leur charge élémentaire habituelle. Ce sont donc uniquement les interactions électromagnétiques, typiques du quantum, qui provoquent une division apparente de la charge.

Y a-t-il déjà eu des mesures similaires ?

Ce n’est pas la première fois qu’un tel fractionnement des charges est démontré expérimentalement. Cet effet a été découvert dans les années 1980 et a reçu le prix Nobel quelques années plus tard. Mais à l’époque, on travaillait avec des matériaux constitués de couches soigneusement placées et avec des champs magnétiques externes ; Ce sont les résistances électriques et non les photoélectrons qui ont été mesurées. Notre équipe est désormais parvenue à démontrer cet effet dans un matériau relativement simple et sans champs magnétiques externes, à savoir un alliage fer-étain.

De quel genre de matériel s’agit-il ?

Dans ce métal, les atomes sont disposés selon un motif triangulaire, dans ce qu’on appelle le réseau Kagome. De plus, le métal est ferromagnétique, il possède donc déjà son propre champ magnétique, nous n’avons donc plus besoin d’un champ magnétique externe. Ce matériau est connu depuis longtemps et possède également des propriétés électroniques inhabituelles. De plus, il a été théoriquement prédit il y a 15 ans que l’effet de fractionnement des charges pourrait se produire dans un tel matériau Kagome. Nous avons maintenant fourni cette preuve. Ce qui est également intéressant dans nos mesures, c’est que l’effet se produit à des températures basses d’environ cinq degrés au-dessus du zéro absolu, soit environ moins 273 degrés Celsius. Mais cela reste relativement chaleureux par rapport aux matériaux pour lesquels le prix Nobel a été attribué.

L’effet peut-il également être utilisé technologiquement ?

Les mesures laissent espérer qu’il s’agit d’un matériau présentant un tel fractionnement des charges dans des conditions facilement accessibles. Il est cependant encore trop tôt pour réfléchir à une application concrète. Certains scientifiques pensent que son utilisation pour « l’informatique quantique topologique » est possible. Mais avant cela, de nombreuses questions restent encore sans réponse.