Dans un préprint dirigé par Morgan Thinel, des chercheurs de Columbia décrivent des ondes d’électrons piégées dans le Pd₅AlI₂ par des défauts, un état lié dans le continuum jamais encore observé avec des électrons et rendu possible par l’interférence de sauts frustrés.
Le matériau étudié est le Pd₅AlI₂, un métal synthétisé il y a quelques années par le laboratoire de chimie de Xavier Roy, à Columbia, et exfoliable en couches bidimensionnelles. Ses électrons se sont avérés se déplacer plus lentement que prévu.
Un saut électronique frustré
La façon dont les atomes et les orbitales du matériau sont agencés offre aux électrons plusieurs chemins concurrents pour sauter d’un atome à l’autre, et ces chemins s’annulent mutuellement. L’équipe a décrit ce saut frustré l’an dernier dans Nature Physics.
Le laboratoire d’Abhay Pasupathy a ensuite sondé le matériau avec des instruments assez précis pour imager des atomes individuels. Les images ont révélé des motifs inattendus, qui se sont révélés être des ondes d’électrons liées à des défauts du réseau cristallin. Le préprint de l’article, dirigé par Morgan Thinel, décrit deux de ces états liés à des défauts. Ils restent localisés parce que l’interférence entre les sauts crée une bande d’énergie quasi plate, dont les états ne se mélangent pas avec la mer métallique environnante d’électrons libres.
« Des électrons liés ne devraient pas exister dans un métal, mais c’est pourtant le cas dans le Pd₅AlI₂. Ce que nous avons observé est la première preuve claire qu’une interférence quantique peut piéger un état dans un métal », a déclaré Raquel Queiroz, physicienne théoricienne à Columbia.
De la lumière aux électrons
Cet effet, appelé état lié dans le continuum (BIC), avait déjà été obtenu avec de la lumière, mais jamais avec des électrons. Les physiciens se demandent si l’on peut immobiliser des ondes d’électrons depuis que la mécanique quantique a décrit les particules comme des ondes, il y a environ un siècle.
« La mécanique quantique prédit qu’une onde d’électrons peut, en théorie, rester piégée même lorsqu’il existe une infinité de chemins pour s’échapper. Cet effet est connu pour les ondes lumineuses, mais on ne l’avait encore jamais observé pour des électrons », a déclaré Raquel Queiroz, physicienne théoricienne à Columbia.
Depuis une dizaine d’années, les BIC optiques ont contribué aux progrès des lasers, de la détection et de l’optique non linéaire. Selon l’université Columbia, les BIC électroniques pourraient un jour permettre de concevoir des capteurs quantiques extrêmement sensibles, d’améliorer le traitement de l’information dans les ordinateurs quantiques et de faire avancer la chimie quantique.
« Piéger une onde est une idée aussi ancienne que la mécanique quantique elle-même, mais il a fallu presque un siècle pour trouver comment y parvenir avec la lumière. Nous venons désormais d’y arriver avec des électrons dans un matériau », explique Roy. « Et quand on piège une particule, on peut la manipuler. », ajoute-t-il.
Des pièges aléatoires pour l’instant
Pour l’instant, les pièges à électrons se forment de façon aléatoire, à partir de défauts qui apparaissent pendant la croissance du cristal. Roy et Pasupathy cherchent des moyens de placer les défauts à des endroits choisis afin de pouvoir ajuster les figures d’interférence.
Dans un métal, un BIC est le seul moyen de localiser un électron, et il nécessite un réseau frustré comme celui du Pd₅AlI₂. Selon les chercheurs, d’autres métaux dotés de structures similaires devraient aussi pouvoir accueillir cet effet.
Morgan Thinel et al. Electronic bound states in the continuum in a two-dimensional metal. Science (2026). DOI: 10.1126/science.adt9825
