Des physiciens observent pour la première fois des états liés électroniques dans le continuum

Des physiciens ont observé pour la première fois des états liés électroniques dans le continuum (BIC) dans un métal bidimensionnel. Les travaux de l'Université Columbia, du Brookhaven National Laboratory et de l'Université d'Indiana à Bloomington ont été publiés le 22 octobre dans Science. Un preprint avait été mis en ligne auparavant sur arXiv (2410.19227).

Ce qu'est un état lié dans le continuum

Normalement, un état dont l'énergie se situe dans un continuum d'états disponibles peut s'y échapper et s'y disperser. Un BIC, lui, ne le fait pas : il reste localisé bien qu'il ait la même énergie que le continuum. De tels états sont bien connus en optique ; selon Physics World, il s'agit de la première observation dans un système électronique.

Comment ils ont été trouvés

L'équipe a utilisé la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel sur Pd5AlI2, un métal de van der Waals bidimensionnel doté d'un réseau en damier décoré, et a combiné les mesures avec la théorie de la fonctionnelle de la densité et des modèles simples. Les chercheurs ont identifié deux états électroniques induits par des défauts qui restent localisés dans le continuum métallique. Deux défauts voisins ont montré des signes d'hybridation.

Les calculs expliquent l'effet. L'interférence entre les sauts d'électrons donne une bande quasi plate d'états localisés orthogonaux au continuum. Les défauts atomiques décalent ces états dans le continuum et forment des BIC robustes, protégés par la symétrie. Selon Physics World, les états se trouvent au-dessus de lacunes de palladium aléatoires, sont isolés du continuum et n'étaient visibles que parce que la perturbation de la pointe du microscope permet aux électrons d'entrer et de sortir.

« Normalement, l'hybridation serait supprimée par un gap spectral, mais ici elle est supprimée par l'interférence quantique. » — Raquel Queiroz, Université Columbia, qui a développé les modèles

Alexandru Georgescu, de l'Université d'Indiana, a proposé une analogie : dans un isolant, un état de défaut est comme un verre d'eau qui a besoin d'énergie pour s'échapper, alors qu'ici l'« eau » forme une onde qui interfère avec elle-même et ne se déplace pas.

Limites et suite

Le résultat est fondamental et concerne un matériau précis ; les applications comme la simulation de la physique à N corps ou la catalyse restent spéculatives. Les BIC se sont formés sur des lacunes déjà présentes à des endroits aléatoires. « Il n'y a aucune raison de ne pas pouvoir les créer à la demande », a déclaré Abhay Pasupathy, de Columbia, qui a dirigé les expériences, et l'équipe affine la technique pour les placer à des endroits choisis. Boubacar Kanté, de l'UC Berkeley, qui a démontré le premier laser BIC optique et n'a pas participé à l'étude, a qualifié ces travaux de « très intéressants » et a dit qu'ils « montrent l'universalité des phénomènes ondulatoires ». Plus dans notre rubrique Science.