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Découverte d’électrons sans masse dans 3 dimensions

Electrons sans masse dans 3D

Les électrons dans les solides peuvent se comporter comme des particules relativistes sans masse. Les propriétés exotiques de ces particules ont été explorées de manière intensive dans des systèmes uni- et bidimensionnels (nanotubes de carbone, graphène et les états de surface des isolants topologiques). Des états électroniques avec une dispersion linéaire dans les trois dimensions, semblable à celle d’un photon, sont aujourd’hui mis en évidence expérimentalement. Ils apparaissent dans un cristal de structure de type zinc-blende, dans un alliage de HgCdTe, au point de la transition topologique d’un semi-conducteur à un semi-métal. Cette découverte est le fruit d’une collaboration internationale, impliquant des équipes en France, en Russie et en Allemagne.
 
Ces électrons tridimensionnels de masse nulle ont été mis en évidence par des expériences de spectroscopie magnéto-optique, et ce résultat est soutenu par un modèle théorique pertinent. Une des observations principale est l’évolution caractéristique des énergies des transitions optiques, qui augmente comme la racine carrée du champ magnétique, voir Fig. 1. Les électrons sans masse dans HgCdTe avaient déjà été évoqués dans les années 1960, 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.
 
Les électrons dans cet alliage de HgCdTe ont été baptisés « fermions de Kane de masse nulle », afin de les distinguer des particules de masse nulle dans les semi-métaux de Dirac ou de Weyl, qui constituent deux autres systèmes, activement recherchés, dans lesquels des dispersions linéaires dans les trois dimensions sont attendues. Les états électroniques des semi-métaux de Weyl et de Dirac, protégés pour des raisons de symétrie ou de topologie, pourraient être compliqués à manipuler. Au contraire, la structure de bande des alliages de HgCdTe peut être aisément façonnée (en ajustant le taux de Cd), pour concevoir et fabriquer des alliages présentant un « gap à la demande », et des interfaces de matériaux avec des électrons massifs ou de masse nulle. Les processus de diffusion et la dynamique des fermions de Kane de masse nulle sont actuellement étudiés, dans la perspective d’élaborer de nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de HgCdTe.

Lire l’article sur le site-web de l’Institut de Physique du CNRS

Pour plus d’informations, voir http://dx.doi.org/10.1038/nphys2857.

Figure 1 : 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.