Environnement

L’excitonium : une matière qui existe vraiment

Schématisation du mouvement d'un exciton. Crédits : 狩野 大, Wikimedia Commons
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Nous sommes tous plus ou moins au fait de la grande dichotomie matière/antimatière qui caractériserait notre univers. Si l’antimatière nous dépasse, nous pourrions penser être davantage à l’aise avec la matière… Pourtant, des découvertes récentes viennent nous montrer que nous pouvons encore en apprendre tous les jours.

Qu’est-ce que l’excitonium ?

Avec un mauvais jeu de mots, on pourrait croire à une drogue ou un excitant. Pourtant, c’est bien au champ de la physique que l’excitonium appartient. Son histoire est encore floue et récente. Comme souvent, tout est venu des États-Unis…

En fait, l’excitonium semble devoir jeter un pont entre physique et métaphysique. Il doit son nom aux excitons. Ces derniers renvoient à des « quasi-particules », visibles dans certains semi-conducteurs, lorsqu’un électron est transféré. L’exciton est composé de cet électron et du vide qu’il laisse derrière lui : en fait, pas du tout du vide ou un trou, mais « une particule de charge positive » qu’il a produite. Cette vidéo anglophone nous explique clairement ce qu’est un exciton :

L’excitonium est donc un ensemble de duos trou-électron.

Le hasard a permis à des scientifiques universitaires américains de l’Illinois d’observer ce phénomène dès les décennies 1960-1970. Le substantif excitonium a été forgé à la même époque à Harvard par le physicien Bert Halperin. Sans surprise, l’excitonium est l’association de plusieurs excitons.

Depuis, les hommes de science cherchent à mieux connaître la nature de l’excitonium. Est-ce le conducteur parfait tant attendu, du superfluide ou bien un élément isolant ? Parallèlement, aucun d’entre eux n’a été capable de rassembler les preuves scientifiques permettant d’attester de son existence matérielle…

Aucun… jusqu’à maintenant !

Vers une meilleure connaissance de l’excitonium

De nos jours, les sciences positives reposent en grande partie sur l’expérimentation. Mais cela ne les empêche guère de se nourrir de théorie. La pratique expérimentale est cependant nécessaire pour prouver l’existence de l’excitonium.

Cette matière longtemps restée inconnue a été mise au jour lors d’essais autour de supraconducteurs à haute température. Ces recherches ont été menées par l’université de l’Illinois. Cette même institution a pu avancer quant à la démonstration de l’existence de l’excitonium. Au cœur de ses travaux : la spectroscopie appliquée à la perte d’énergie des électrons résolue en moment. Les initiés parlent de « M-EELS ».

Nos physiciens de l’Illinois ont observé une chute à 0 de l’énergie des électrons, mais sans aucune annulation de leur moment. En bref, cela met en lumière une cristallisation de ces électrons de valence pour former l’excitonium (un condensat) ainsi que la baisse du régime de fluctuation du plasma. Les médias scientifiques anglophones ont largement relayé la nouvelle, comme dans cette vidéo :

Les pistes ouvertes par ces expériences inédites pourraient, à terme, révolutionner notre perception et notre usage de la physique mécanique quantique. Il ne reste plus qu’à trouver des applications concrètes à cette nouvelle découverte qui en annonce sans doute d’autres !

Philippe
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