Une équipe de Ratisbonne, Marburg et Jülich rapporte avoir observé directement des transitions de Landau-Zener-Majorana dans des couches de carbone de haute pureté, des travaux publiés le 28 octobre dans Nature. La méthode associe un microscope à photoémission à impulsion et des champs lumineux intenses pour étudier la dynamique électronique ultrarapide.
Le processus décrit par les chercheurs se déroule dans les semi-conducteurs, où les électrons occupent normalement des bandes d’énergie permises, séparées par une bande interdite. Lors d’une transition de Landau-Zener-Majorana, les électrons accélérés par le champ électrique d’une impulsion lumineuse semblent franchir cette bande interdite d’un seul bond. Les chercheurs comparent ce franchissement à l’afficheur d’un ascenseur qui passerait directement de l’étage 3 à l’étage 20.
L’étude montre que ces transitions peuvent se produire avec une forte probabilité, même lorsque les états d’énergie sont nettement séparés. Ce qui compte, selon les auteurs, est la vitesse à laquelle les électrons approchent de la bande interdite, ce qui distingue fondamentalement ce processus de l’effet tunnel ordinaire à travers une barrière spatiale. Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que ces transitions pourraient jouer un rôle important dans l’électronique à semi-conducteurs à haute vitesse.
Une observation à l’échelle sub-cycle
Pour observer ce processus, l’équipe a associé un microscope à photoémission à impulsion, ou « momentum microscope », à des champs lumineux intenses oscillant très rapidement. Ce microscope ne grossit pas des objets : il cartographie les énergies et les états de mouvement des électrons. Les auteurs décrivent la technique comme une « vidéographie de la structure de bandes à l’échelle sub-cycle », d’une précision de l’ordre de l’attoseconde, qui couvre l’ensemble de la première zone de Brillouin du graphène, d’après leur prépublication sur arXiv.
« Si vous voulez savoir qui a gagné une course, vous devez observer tous les participants », a déclaré le premier auteur, Vincent Eggers. Rupert Huber, physicien à Ratisbonne, a indiqué que l’équipe avait « travaillé sur cette expérience pendant de nombreuses années ».
Des échantillons quasi parfaits
Les mesures ont été réalisées sur des couches de carbone d’une pureté extrême et d’une épaisseur atomique, fabriquées à Jülich, dont du graphène « tourné ». Stefan Tautz, du Forschungszentrum Jülich, explique que ce type de graphène permet à la dynamique quantique d’« émerger de façon particulièrement nette ».
Ulrich Höfer, de l’université de Marbourg, a qualifié de « moment très particulier » le fait d’observer le processus lors de la première campagne de mesures de l’équipe.
Selon le preprint, les distributions électroniques très éloignées de l’équilibre thermique ont aussi permis à l’équipe de distinguer des processus de diffusion concurrents et d’évaluer comment ils perturbent le contrôle cohérent des électrons. Ces résultats pourraient ouvrir la voie à une future électronique à ondes lumineuses de l’ordre du pétahertz et à un contrôle quantique entièrement optique.
Au-delà du graphène
Selon les chercheurs, cette méthode pourrait s’appliquer à d’autres matériaux quantiques. « Notre expérience ouvre une fenêtre panoramique sur le monde quantique », a déclaré Giacomo Inzani, de l’université de Ratisbonne. « Et ce n’est que le début. »
V. Eggers, G. Inzani, M. Meierhofer, L. Münster, J. Helml, R. Wallauer, S. Zajusch, S. Ito, L. Machtl, H. Yin, C. Kumpf, F. C. Bocquet, C. Bao, J. Güdde, F. S. Tautz, R. Huber & U. Höfer, « Subcycle videography of Landau-Zener-Majorana transitions in graphene », Nature (2026), DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y
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