Les électrons ne sont pas seulement des porteurs de charge négative ; ils présentent une nature ondulatoire qui leur permet d'adopter des géométries complexes dans le domaine quantique. Pour la première fois, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mesuré la forme réelle des électrons dans un solide, comme l'indique une récente publication dans Nature Physics.
Cette découverte révolutionnaire pourrait transformer notre compréhension de la matière et ouvrir la voie à des avancées en informatique quantique et en électronique avancée. Historiquement, les scientifiques ont analysé les électrons principalement en termes d'énergie et de vitesse, tandis que leur structure géométrique est restée largement inexplorée jusqu'à présent.
Les électrons se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes, décrites par des fonctions mathématiques connues sous le nom de fonctions d'onde. Ces fonctions d'onde peuvent prendre des formes inattendues dans des espaces multidimensionnels, influençant la manière dont les électrons interagissent les uns avec les autres et avec leur environnement.
Dirigée par le physicien Riccardo Comin, l'équipe du MIT a utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) pour mesurer directement ces formes. Cette méthode avancée consiste à projeter de la lumière sur un matériau et à analyser les électrons expulsés, permettant de reconstruire leur structure quantique. "Nous avons développé un plan pour obtenir des informations complètement nouvelles qui étaient auparavant inaccessibles," a déclaré Comin.
Les chercheurs se sont concentrés sur une classe spéciale de matériaux connus sous le nom de métaux Kagome, caractérisés par leur structure atomique en triangles entrelacés. Cette géométrie inhabituelle affecte le mouvement des électrons dans le matériau, produisant des phénomènes quantiques uniques tels que la superconductivité avancée et le couplage synchronisé des électrons.
En étudiant ces matériaux, l'équipe de Comin a observé comment la géométrie des fonctions d'onde influence le comportement des électrons. Cette mesure est significative car elle valide des prédictions théoriques de longue date et ouvre de nouvelles voies pour manipuler les matériaux au niveau quantique.
La forme des électrons n'est pas simplement une curiosité académique ; elle joue un rôle crucial dans la manière dont les électrons interagissent dans les matériaux, pouvant mener à des propriétés exotiques comme la superconductivité, où les électrons se déplacent sans résistance. Selon le Département de l'Énergie des États-Unis, cette avancée pourrait faciliter le développement de matériaux quantiques avec des applications en informatique, électronique et stockage d'énergie.
L'expérience de Comin a été rendue possible grâce à l'ARPES, qui permet aux scientifiques de "photographier" la structure quantique des électrons dans un matériau. Cependant, la technique présente également ses propres défis.