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André
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Inscrit le: 07 Jan 2007
Messages: 11029
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 Posté le: Dim 13 Avr 2014 2:43 am Sujet du message: Des excitons à l'état liquide |
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Salut à tous
Les excitons sont des quasi-particules, c'est-à-dire des particules qui n'ont pas d'existence tangible mais qui sont utilisées par les physiciens dans la modélisation de systèmes physiques.
images ; Gentside@
En effet, dans certaines conditions, certains systèmes se comportent comme si des particules imaginaires étaient présentes.
Un peu comme le Saint Graal en quelque sorte : une existence relevant de la légende mais qui pourtant guide de nombreux phénomènes (la célèbre série Kaamelott n'aurait jamais vu le jour sans cet item magique).
Et tout comme la quête du Graal, l'observation des quasi-particules (ou plutôt de leur action sur un système) est une tâche extrêmement ardue.
Revenons aux excitons. Ces quasi-particules ne se manifestent que pendant quelques nanosecondes. Difficile donc d'étudier les excitons avec leur mode de vie éphémère.
Il y a de cela plus de 40 ans, des théoriciens ont postulé que sous certaines conditions, très difficiles à atteindre, les excitons pourraient présenter une espérance de vie raisonnable et se trouver en grande quantité, sous forme condensée, dans la matière.
L'équipe du professeur Israel Bar-Joseph, de l'Institut Weizmann (Israël), a décidé de relever le défi. Grâce à une série de prouesses technologiques, elle est parvenue à obtenir des excitons à l'état liquide. Ce succès lui a permis de publier ses travaux dans la très célèbre revue scientifique Science [1] [2].
Les trous et les électrons : une attraction réciproque
Dans un matériau semi-conducteur, lorsqu'un électron est excité par un photon, son énergie augmente de la quantité d'énergie du photon absorbé.
Ce saut d'énergie permet à l'électron de quitter son niveau d'énergie (on parle d'orbitale lorsqu'on étudie un atome et de couche pour un solide) pour en atteindre un plus élevé.
Cette perte d'électron dans le niveau d'énergie initial n'est pas sans conséquence. Elle laisse un "trou électronique", qui est considéré comme une quasi-particule de charge positive.
La durée de vie de ce trou est faible (de quelques nanosecondes à quelques millisecondes). En effet, un électron d'une couche supérieure, d'une charge négative, va être attiré par ce trou fraîchement créé. On appelle exciton ce couple trou-électron, que l'on considère également comme une quasi-particule.
L'attraction mutuelle entre le trou et l'électron mène inévitablement à leur destruction.
Excitons et courant électrique
Les électrons et les trous sont des porteurs de charge et sont donc les vecteurs de la conduction électrique dans les métaux et les semi-conducteurs.
Un métal, par exemple, a des électrons disponibles dans sa bande de conduction et ceux-ci peuvent se déplacer dans tous le métal, le rendant conducteur.
Dans un isolant ou un semi-conducteur, les électrons ne sont pas mobiles, ils sont dans la bande de valence et doivent franchir le gap, une barrière énergétique, pour atteindre la bande de valence et devenir mobiles. Très difficile à franchir dans un isolant, le gap est plus facile à dépasser dans un semi-conducteur.
Généralement un photon suffit pour promouvoir un électron par-delà le gap, créant un exciton : un trou dans la bande de valence, un électron dans la bande de conduction.
Toutefois, l'exciton n'existe formellement plus, les trous et les électrons allant dans des directions opposées, dictées par le champ électrique local.
Ces trous vont attirer les électrons des atomes voisins. C'est ainsi que va circuler le courant électrique ou flux d'électrons, les électrons se déplaçant d'atome en atome, de trou en trou.
Vers un état condensé d'excitons
Les excitons s'organisent de façon aléatoire.
A cause de cela, ils peuvent se détruire les uns les autres, entre voisins, le trou de l'un entrant en collision avec l'électron de l'autre.
Toutefois, il a été démontré qu'en présence d'un champ électrique, les excitons s'alignent avec le champ et leur durée de vie, dans certains matériaux, augmente alors considérablement [3].
Les chercheurs israéliens souhaitent aller plus loin et créer un état condensé d'excitons. Mais même avec un champ électrique suffisamment puissant, la durée de vie des excitons demeure bien trop brève pour permettre al formation d'un tel état.
Comment lutter contre l'inévitable disparition de ces quasi-particules ?
Les chercheurs israéliens ont eu l'idée de construire un objet composé de plusieurs couches de matériaux différents, chaque couche étant d'une épaisseur de quelques atomes.
On y trouve une couche d'arséniure de gallium-aluminium (AlxGa1-xAs) entre deux couches d'arséniure de gallium (GaAs), ainsi que diverses autres couches permettant de fournir le courant, de mesurer la charge, etc.
Le laboratoire travaille sur ce type de "sandwichs" de matériaux depuis plusieurs années [4]. Leur avantage ?
La couche centrale est quasi-isolante et des puits quantiques vont se former à l'entrée de cette barrière infranchissable.
Ces puits sont des endroits de l'espace où le potentiel de la particule est à son minimum. Un peu comme une bille avec un creux : dans le creux, la force de gravité est minimale, et la bille s'immobilise donc à cet endroit. Les puits sont ainsi utilisés pour "capturer" les quasi-particules.
En appliquant un champ électrique à cet objet très particulier, les chercheurs sont parvenus à créer une situation où les électrons sont piégés dans certaines couches tandis que les trous se trouvent capturés dans les couches voisines.
Les puits quantiques sont suffisamment proches pour que l'attraction entre électrons et trous demeure forte et que le phénomène d'excitons soit encore présent.
De plus, les chercheurs se sont rendus compte qu'en jouant sur l'intensité du champ électrique, ils pouvaient contrôler la durée de vie des excitons.
Des excitons dans tous leurs états
Quand le système atteignait des températures proches du 0 absolu (- 270 ° celsius) et quand la quantité d'excitons devenait critique, une abrupte transition entre deux états, un état gazeux et un état liquide, était observée.
Dans l'état gazeux, les excitons se déplaçaient librement, sans que leurs mouvements soient influencés par les autres excitons. Mais dans l'état liquide, la concentration d'excitons étaient beaucoup plus importante, ce qui imposait une structure au maillage d'excitons.
En effet, les électrons se repoussent les uns les autres, en raison de la charge de signe identique. Le phénomène est le même pour les trous entre eux.
Cette forte répulsion à faible distance imposait donc les mouvements de la matière, conférant aux excitons un comportement semblable à celui de particules se trouvant à l'état liquide.
Il est important de noter qu'il ne s'agit pas réellement de liquides ou de gaz au sens de la physique classique, mais de condensats de Bose-Einstein, ayant des propriétés analogues a un fluide.
Vers une meilleure compréhension des excitons
Cette étude a permis de caractériser le comportement, dans certaines conditions, de quasi-particules éphémères, très délicates à étudier : les excitons.
Elle a également permis de valider des travaux théoriques, vieux de plus de 40 ans, qui n'avaient jamais été prouvés jusqu'à aujourd'hui. Une meilleure compréhension de ce phénomène a donc été atteinte.
Mais l'avancement des connaissances sur ce phénomène si particulier ne devrait pas s'arrêter là.
En proposant un protocole permettant d'obtenir des excitons en grande quantité et avec une espérance de vie raisonnable, ces travaux devraient ouvrir la voie à de nombreuses autres recherches sur la nature de ces quasi-particules.
La source ;
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/75591.htm
Amicalement
_________________
Etrange époque où il est plus facile de désintégrer l' atome que de vaincre un préjugé.
Einstein, Albert, |
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