Les physiciens voient des tourbillons d’électrons pour la première fois

Bien qu’il s’agisse de particules discrètes, les molécules d’eau s’écoulent collectivement sous forme de liquides, produisant des courants, des vagues, des tourbillons et d’autres phénomènes fluides classiques.

Ce n’est pas le cas avec l’électricité. Alors qu’un courant électrique est également une construction de particules distinctes – dans ce cas, des électrons – les particules sont si petites que tout comportement collectif entre elles est noyé par des influences plus importantes lorsque les électrons traversent les métaux ordinaires. Mais, dans certains matériaux et dans des conditions spécifiques, ces effets s’estompent et les électrons peuvent s’influencer directement les uns les autres. Dans ces cas, les électrons peuvent circuler collectivement comme un fluide.

Aujourd’hui, des physiciens du MIT et de l’Institut Weizmann des sciences ont observé des électrons circulant dans des vortex ou 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.

« Les vortex d’électrons sont attendus en théorie, mais il n’y a pas eu de preuve directe, et voir c’est croire », déclare Leonid Levitov, professeur de physique au MIT. « Maintenant, nous l’avons vu, et c’est une signature claire d’être dans ce nouveau régime, où les électrons se comportent comme un fluide, et non comme des particules individuelles. »

Les observations, rapportées dans la revue La naturepourrait éclairer la conception d’électronique plus efficace.

« Nous savons quand les électrons entrent dans un état fluide, [energy] la dissipation chute, et c’est intéressant pour essayer de concevoir de l’électronique de faible puissance », déclare Levitov. « Cette nouvelle observation est un autre pas dans cette direction.

Levitov est co-auteur du nouvel article, avec Eli Zeldov et d’autres à l’Institut Weizmann pour les sciences en Israël et à l’Université du Colorado à Denver.

Une pression collective

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 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, Levitov et ses collègues de l’Université de Manchester ont signalé des signatures d’un tel comportement d’électron de type fluide dans le graphène, une feuille de carbone mince comme un atome sur laquelle ils ont gravé un canal mince avec plusieurs points de pincement. 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.

Cette première indication a incité Levitov à explorer d’autres phénomènes de fluide électronique. Dans la nouvelle étude, lui et ses collègues de l’Institut Weizmann pour la science ont cherché à visualiser les tourbillons d’électrons. Comme ils l’écrivent dans leur article, « la caractéristique la plus frappante et la plus omniprésente dans l’écoulement des fluides réguliers, la formation de tourbillons et de turbulences, n’a pas encore été observée dans les fluides électroniques malgré de nombreuses prédictions théoriques ».

Flux de canalisation

Pour visualiser les tourbillons d’électrons, l’équipe s’est penchée 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 bidimensionnelle 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 », explique 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 sur de fines lamelles 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 kelvins (environ -450 degrés Fahrenheit) 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. Cet appareil a été développé dans le laboratoire de Zeldov et mesure les champs magnétiques avec une précision extrêmement élevée. En utilisant l’appareil pour scanner chaque échantillon, l’équipe a pu observer en détail comment les électrons circulaient à travers les canaux à motifs de chaque matériau.

Les chercheurs 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 », explique 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 se trouvant dans un régime de type fluide. »

Les observations du groupe sont la première visualisation directe de tourbillons tourbillonnants dans un courant électrique. Les résultats représentent une confirmation expérimentale d’une propriété fondamentale dans le comportement des électrons. Ils peuvent également offrir des indices sur la façon dont les ingénieurs pourraient concevoir des dispositifs de faible puissance qui conduisent l’électricité de manière plus fluide et moins résistive.