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Un mode de roton dans un liquide de Fermi à deux dimensions.

30 mars 2012

Ins. Néel - UPR 2940

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Les fluides quantiques, composés d’un grand nombre de particules identiques sont présents dans de nombreux systèmes physiques : électrons dans un métal ou dans un semi-conducteur, neutrons ou protons dans les noyaux atomiques ou dans les étoiles à neutrons,… Ils présentent la particularité d’être le siège d’excitations collectives particulières dont notamment le « son zéro » appelé ainsi car ces oscillations de densité sont plus rapides que le temps de collision entre deux particules. En analysant à très basse température un liquide quantique d’Helium 3 à deux dimensions avec des neutrons, dans le cadre d’une collaboration, des physiciens ont mis en évidence une excitation collective de type « son zéro » qui se prolonge en « roton » dont la durée de vie est bien plus grande que son équivalent dans le liquide tridimensionnel. Ce travail, qui fait l’objet d’une publication dans la revue Nature, pourrait contribuer à une meilleure compréhension des supraconducteurs à haute température.

Dans le régime quantique, deux particules élémentaires identiques appartenant à la famille des fermions (comme les électrons, les protons ou les neutrons) ne peuvent pas se trouver dans un même état : c’est le principe d’exclusion de Pauli. Lorsque l’on prend un grand nombre de ces particules et qu’on les refroidit, on produit ce que l’on appelle un liquide de Fermi. Si l’on ajoute à cela le fait que ces particules interagissent fortement les unes avec les autres, l’étude de ces systèmes quantiques fortement corrélés est un problème très ardu. Pour mieux comprendre ces systèmes, une collaboration de chercheurs de l’Institut Néel (CNRS), de l’Université Aalto en Finlande, de l’Oak Ridge National Laboratory, de l’Université SUNY à Buffalo aux États-Unis et de l’Université Johannes Kepler en Autriche, a étudié une monocouche d’atomes d’Helium 3, une particule composite se comportant comme un fermion et donc vérifiant le principe d’exclusion de Pauli. Les chercheurs ont éclairé cette couche avec un faisceau de neutrons dont la diffusion leur a permis d’observer la présence d’ondes de densité de très courte longueur d’onde et à haute fréquence, connues sous le nom d’oscillations en mode de zéro son. Les résultats des expériences de diffusion ont montré que le mode de zéro son avait une durée beaucoup plus longue dans ce fluide bidimensionnel que dans le liquide à trois dimensions. Si ce résultat se généralisait, il pourrait apporter de nouveaux éléments de compréhension dans l’apparition de la supraconductivité à haute température, car ce phénomène fait intervenir un autre liquide de Fermi bidimensionnel, composé des électrons de conduction.

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Les mesures neutroniques permettent d’observer les « modes d’excitation » quantiques de la matière. Dans ce schéma, dont les axes représentent l’énergie et le vecteur d’onde, on représente les mesures effectuées sur une couche atomique de Hélium 3. Une zone de forte intensité (en rouge) est observée à de très grands vecteurs d’onde, elle correspond à un mode de « zéro son » totalement inattendu.

En savoir plus

Observation of a roton collective mode in a two-dimensional Fermi liquid, Henri Godfrin, Matthias Meschke, Hans-Jochen Lauter, Ahmad Sultan, Helga M. Böhm, Eckhard Krotscheck et Martin Panholzer, Nature, 483, 576-579 (2012)

Contact chercheur

Henri Godfrin, Chercheur

Informations complémentaires

Institut Néel, CNRS

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Karine Penalba,
inp-communication cnrs-dir.fr