Une étude révèle des états sombres de matière condensée dans un système quantique avec deux paires de sous-réseaux

Les états sombres sont des états quantiques dans lesquels un système n’interagit pas avec des champs externes, tels que la lumière (c’est-à-dire les photons) ou les champs électromagnétiques. Ces états, qui se produisent généralement en raison d’interférences entre les voies par lesquelles un système interagit avec un champ externe, sont indétectables à l’aide de techniques spectroscopiques.

Des chercheurs de l’Université Yonsei en Corée du Sud et d’autres instituts ont récemment découvert des états sombres de matière condensée indétectables dans le diséléniure de palladium, un système quantique avec deux paires de sous-réseaux dans sa cellule primitive.

Leurs observations, présentées dans un article publié dans Physique de la naturepourrait avoir des implications intéressantes pour l’étude des matériaux, des états quantiques et des phénomènes corrélés.

« La spectroscopie de photoémission à résolution angulaire est une technique expérimentale puissante qui permet aux physiciens de comprendre comment les électrons se comportent dans les solides », a déclaré à Phys.org Keun Su Kim, professeur de physique à l’université Yonsei et co-auteur de l’article.

« L’expérience nous a appris que tous les électrons ne sont pas détectés par spectroscopie de photoémission à résolution angulaire. En d’autres termes, certains électrons sont détectables, mais d’autres non. »

Pendant longtemps, les physiciens ont supposé que l’incapacité à détecter certains électrons à l’aide de techniques spectroscopiques était liée aux méthodes utilisées pour mener les expériences, plutôt qu’aux propriétés intrinsèques des matériaux.

Cependant, dans des études antérieures examinant des matériaux élémentaires simples avec une paire de sous-réseaux, tels que le graphène et le phosphore noir, Kim et ses collègues ont montré que cette insaisissabilité est en fait étroitement liée aux propriétés intrinsèques des matériaux.

« Nous avons étudié ce problème pour l’étendre aux matériaux à deux paires de sous-réseaux et avons découvert que certains électrons ne peuvent être détectés dans aucune condition expérimentale », a déclaré Kim. « En termes simples, nous n’avons pu voir de signaux expérimentaux que pour les électrons censés être détectables (états brillants) et nous n’avons pu voir aucun signal expérimental pour les électrons censés être indétectables (états sombres). »

Pour mener à bien leurs expériences, les chercheurs ont eu recours à une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire. Cette technique expérimentale largement utilisée s’appuie sur l’effet photoélectrique découvert par Albert Einstein pour recueillir des informations sur la structure électronique des matériaux.

En gros, Kim et ses collègues ont irradié leurs échantillons avec un faisceau de photons à haute énergie. Ce faisceau d’énergie a éjecté certains électrons de l’échantillon, leur permettant de recueillir des informations sur l’énergie et l’impulsion qu’ils présentaient alors qu’ils étaient encore dans l’échantillon.

“Dans ce travail, nous avons étudié trois matériaux, les diséléniures de palladium (PdSe₂), les supraconducteurs cuprates (Bi₂Sr₂CaCu₂O₈+δ ou Bi-2212) et les pérovskites aux halogénures de plomb (CsPbBr₃),” explique Kim. “Une propriété commune importante de ces trois matériaux est qu’ils présentent certaines symétries cristallines (symétries multiples de miroir glissant) qui rendent tous les électrons des échantillons solides caractérisables comme l’un des quatre types.”

Les chercheurs ont essentiellement découvert que les électrons des systèmes quantiques à deux paires de sous-réseaux peuvent être classés en quatre catégories différentes. L’un de ces types d’électrons pouvait être détecté à l’aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, tandis que les trois autres types étaient indétectables, car ils se trouvaient dans des états sombres.

« Pour l’instant, ce n’est qu’une possibilité, mais notre résultat offre une nouvelle façon d’expliquer l’un des problèmes de longue date dans l’étude de la supraconductivité à haute température, appelé « arc de Fermi », a déclaré Kim. « Notre nature est trop complexe pour tout inclure dans le modèle théorique, et il faut souvent faire un choix sur ce qu’il faut inclure et ce qu’il faut exclure pour l’approximation. À proprement parler, il existe des sous-réseaux dans la structure unitaire des supraconducteurs cuprates, mais ces sous-réseaux ont été négligés jusqu’à présent. »

Les travaux récents de cette équipe démontrent l’existence d’états sombres dans divers systèmes quantiques à deux paires de sous-réseaux, notamment les diséléniures de palladium, les supraconducteurs cuprates et les perovskites aux halogénures de plomb. À l’avenir, ces travaux pourraient avoir des implications importantes pour l’étude de ces matériaux, élargissant potentiellement la compréhension de leur physique sous-jacente.

« Nos résultats posent la question de savoir s’il est vraiment acceptable de laisser de côté les sous-réseaux dans la structure unitaire des supraconducteurs cuprates lors de l’interprétation des données de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire recueillies à partir de ces matériaux », a ajouté Kim. « Notre projet de recherche future consiste à approfondir le problème de l’arc de Fermi des supraconducteurs cuprates dans le même contexte. Nous avons déjà des résultats prometteurs et travaillons sur le prochain article. »

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