L’électron se fractionne-t-il dans le bismuth ?

1er octobre 2007

Un métal est un solide avec des électrons itinérants capable de transporter la charge électrique et la chaleur. Dans les métaux ordinaires, ces électrons se comportent comme des entités individuelles distinctes et sans interaction. Mais il existe des conditions telles que les électrons cessent d’exister individuellement et se mettent dans un état collectif gouverné par les lois de la mécanique quantique (la supraconductivité en est un exemple). Dans certains cas, les briques élémentaires de cet état collectif se comportent comme des fractions d’un électron entier. Cet effet n’avait jusqu’alors été observé que dans des systèmes « bidimensionnels » pour lesquels les électrons sont contraints de se mouvoir dans des plans.

Une expérience effectuée par Kamran Behnia (CNRS - Laboratoire Photons et Matière) et ses collaborateurs au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee en Floride vient de montrer qu’un tel phénomène pourrait aussi se produire dans un système dans lequel les électrons se déplacent dans les trois dimensions : le bismuth. Puisque la concentration des électrons itinérants dans le bismuth est infime, leurs fonctions d’onde s’étalent sur plusieurs dizaines de nanomètres, rendant (en contraste avec la quasi-totalité des métaux) la limite quantique accessible. Sous champ magnétique, les électrons circulent en orbites quantifiées dont la taille diminue au fur et à mesure que le champ magnétique augmente. La limite quantique est atteinte quand la circonférence d’une orbite électronique devient plus courte que l’étalement de la fonction d’onde électronique. Cette première étude d’un métal tridimensionnel dans un tel régime ultra-quantique a détecté des anomalies dans les coefficients de transport qui indiqueraient l’existence d’un état quantique macroscopique dont les briques élémentaires restent encore inconnues.

: Fig.1 – Haut : La variation du signal Nernst du bismuth en fonction du champ magnétique (à droite) et de l’inverse du champ magnétique (à gauche). Les oscillations quantiques sont visibles. Le pic dénoté 1 marque la limite quantique. Bas : Trois maxima supplémentaires se révèlent sous champs magnétiques très forts. Ces anomalies qui émergent dans le régime ultraquantique restent inexpliquées.