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Une « masse nulle » pour des électrons dans un cristal

19 février 2014

électrons , Cristal , LNCMI - UPR 3228 , L2C - UMR 5221 , dynamique , LPMMC - UMR 5493

Des physiciens viennent pour la première fois de mettre en évidence un comportement dynamique dit de « masse nulle » pour des électrons dans un matériau à trois dimensions.

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Un électron qui se déplace dans un cristal interagit avec les différents atomes de ce matériau. Ces collisions modifient la dynamique de l’onde quantique électronique et au final, lorsque toutes les interactions avec la matière sont prises en compte, tout se passe comme si les électrons se déplaçaient dans le vide, mais avec une masse plus lourde ou plus légère que leur masse « habituelle ». Dans certaines situations, il est possible que la vitesse de l’électron ne dépende pas de son énergie, ce qui correspond à une situation dite de « masse nulle ». Alors que ce phénomène n’avait été observé jusqu’à présent que dans des systèmes à une dimension (par ex. des nanotubes) ou à deux dimensions (par ex. du graphène), deux équipes de physiciens viennent de mettre, pour la première fois, ce phénomène en évidence à trois dimensions. Ce résultat est le fruit d’une collaboration internationale de chercheurs issus notamment du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI, du Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés - LPMMC (CNRS / UJF) et du Laboratoire Charles Coulomb - L2C (CNRS/Univ. Montpellier 2). Ils ont mis en évidence un comportement de « masse nulle » pour les électrons d’un cristal de structure de type zinc-blende, dans un alliage de mercure cadmium et tellure (HgCdTe), au point de la transition topologique d’un semi-conducteur à un semi-métal. Ce travail est publié dans la revue Nature Physics.

Les électrons « sans masse » avaient déjà été évoqués dans les années 1960 dans HgCdTe, mais les matériaux adaptés à cette observation décisive n’ont pu être conçus et élaborés que récemment, en utilisant la technique d’épitaxie par jet moléculaire. Une fois ce matériau synthétisé, les physiciens ont procédé à des mesures de spectroscopie magnéto-optique, mesurant l’énergie des transitions dans le domaine optique en faisant varier le champ magnétique. L’une des observations principales de ce travail est l’évolution caractéristique des énergies des transitions optiques, qui augmente comme la racine carrée du champ magnétique. Dans ce système, la structure de bande des alliages de HgCdTe peut être aisément façonnée en ajustant le taux de cadmium, pour concevoir et fabriquer des alliages présentant un « gap à la demande », ainsi que des interfaces de matériaux avec des électrons massifs ou de masse nulle. Les processus de diffusion et la dynamique de ces électrons de « masse nulle » sont actuellement étudiés, dans la perspective d’élaborer de nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de HgCdTe.

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Absorption optique du HgCdTe sous champ magnétique. L’énergie de chaque transition augmente comme la racine carrée du champ magnétique. Ce comportement est typique des particules de masse nulle. Publié dans Nature Physics.

En savoir plus

Observation of three-dimensional massless Kane fermions in a zinc-blende crystal
M. Orlita1,4, D. M. Basko2, M. S. Zholudev3,5, F. Teppe3, W. Knap3,6, V. I. Gavrilenko5, N. N. Mikhailov7, S. A. Dvoretskii7, P. Neugebauer8, C. Faugeras1, A-L. Barra1, G. Martinez1 et M. Potemski1, Nature Physics, doi:10.1038/nphys2857 (2014)

Contact chercheur

Milan Orlita, chargé de recherche CNRS
Marek Potemski, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI)
2 Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés (LPMMC)
3 Laboratoire Charles Coulomb (L2C)
4 Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, République Tchèque
5 Institute for Physics of Microstructures, Russia
6 Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences
7 Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
8 Institut für Physikalische Chemie, Universität Stuttgart, Germany

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr