“Une découverte importante dans le domaine des fluides quantiques”

Des scientifiques travaillant à l’Institut Laue-Langevin (science neutronique), ont réalisé les premières investigations d’un liquide de Fermi bidimensionnel en utilisant la diffusion neutronique et ont découvert un nouveau type d’onde de densité possédant une longueur d’onde atomique.

L’équipe pense que leur découverte, publiée dans le journal Nature, intéressera les chercheurs étudiant les systèmes électroniques, car ce type de fluctuations de densité pourrait donner lieu à la supraconductivité à haute température.

Les liquides de Fermi sont composés de fermions, un groupe de particules qui inclut les quarks, les électrons, les protons et les neutrons, interagissant fortement. Les fermions sont courants dans la nature, ils se trouvent dans les noyaux atomiques, les métaux, les semiconducteurs et les étoiles à neutrons.

Ce sont également l’un des deux types de liquides quantiques utilisés pour modéliser et expliquer l’interaction complexe entre les atomes, et même les particules subatomiques, qui sont gouvernés par la mécanique quantique dans un domaine connu comme la "physique à N-corps".

Les particules de Fermi obéissent au principe d’exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions identiques ne peuvent pas coexister dans le même état énergétique, ce qui rend les systèmes de Fermi particulièrement compliqués. En conséquence, alors que les liquides quantiques de Bose, composés de bosons comme les gluons et les photons, sont maintenant bien compris, les liquides de Fermi restent plus mystérieux.

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Dans le cadre des études en cours, une équipe de chercheurs de l’Institut Néel (Centre national de la recherche scientifique et Université J. Fourier) en France et de l’Université Aalto en Finlande (Collaboration Européenne Microkelvin), de l’Oak Ridge National Laboratory, de l’université SUNY à Buffalo aux États-Unis et de l’Université Johannes Kepler en Autriche, a réalisé la première investigation directe de ces excitations élémentaires de très courte longueur d’onde dans un liquide de Fermi. Le système était constitué d’une couche mono-atomique d’hélium-3, une version beaucoup plus rare que l’hélium-4 qui est utilisé dans les ballons et les dirigeables, et qui agit comme un liquide de Fermi à des températures proches du zéro absolu.

En utilisant la technique de diffusion neutronique les scientifiques ont pu observer des ondes de densité, connues sous le nom d’oscillations de zéro son, à de très courtes longueurs d’onde et à haute fréquence. Les expériences ont également montré que le mode de zéro son avait une durée de vie beaucoup plus importante dans ce fluide bidimensionnel que dans le liquide massif étudié lors des expériences précédentes à l’ILL, où il était fortement amorti.

La découverte de ces oscillations dans une couche d’hélium-3 liquide, un liquide de Fermi bidimensionnel, est particulièrement intéressante, car les scientifiques pensent que si ce type d’oscillation de densité était observé dans un liquide de Fermi composé d’électrons, il pourrait être associé à la supraconductivité à haute température. Ces recherches sur les propriétés de l’hélium devraient se poursuivre par une étude plus large, portant sur les liquides électroniques.

"Tous ceux qui s’intéressent aux systèmes électroniques seront particulièrement curieux de voir si cette propriété existe dans leurs propres systèmes, et nos résultats suggèrent que cela est tout à fait possible. Il s’agit d’une découverte importante dans le domaine des fluides quantiques, qui a des conséquences directes dans d’autres domaines de la physique à Ncorps, les exemples allant de la physique des métaux à celle des étoiles à neutrons" a déclaré le Dr. Henri Godfrin, Directeur de recherche CNRS à l’Institut Néel, un laboratoire de pointe pour la recherche fondamentale en physique de la matière condensée.

Légende image : Les mesures neutroniques permettent d’observer les « modes d’excitation » quantiques de la matière. Dans ce schéma, dont les axes représentent l’énergie et le vecteur d’onde, on représente les mesures effectuées sur une couche atomique de Hélium 3. Une zone de forte intensité (en rouge) est observée à de très grands vecteurs d’onde, elle correspond à un mode de « zéro son » totalement inattendu.