Accueil du site Faits marquants Archives des faits marquants Faits marquants 2006 Condensation de Bose-Einstein dans l’état solide

Condensation de Bose-Einstein dans l’état solide

Les condensats de Bose-Einstein sont parmi les objets mythiques de la mécanique quantique. Les particules qui entrent dans cet état particulier perdent leur individualité et se comportent comme si elles ne faisaient qu’une avec des effets de cohérence macroscopique. Les conditions incontournables à remplir pour former un tel condensat sont les suivantes. Tout d’abord il faut avoir affaire à des particules de la famille des « bosons » (voir plus loin). Il faut ensuite, soit augmenter la densité des particules que l’on veut condenser, soit abaisser leur température afin que la distance moyenne entre particules soit comparable à la longueur d’onde qui les caractérise (longueur d’onde de De Broglie).

Plus ces particules sont légères, moins il est nécessaire de les refroidir pour qu’elles satisfassent à ces conditions. Plus précisément la longueur d’onde de De Broglie varie comme l’inverse de la racine carrée de la masse et de la température ; d’où l’idée qui remonte aux années 60 de tirer parti de la faible masse des électrons dans un solide pour former un condensat. Le problème est que les électrons ne sont pas des bosons mais des fermions (particules de spin demi-entier). Il existe cependant des situations dans lesquelles ils se comportent comme des bosons (particules de spin entier). C’est le cas dans les matériaux semi-conducteurs, lorsqu’un électron de la bande de valence est porté dans la bande de conduction à la suite d’une excitation et laisse derrière lui un « trou » dans la bande de valence. L’association de l’électron et du trou par attraction Coulombienne forme un boson composite appelé exciton. Une limitation importante vient du fait que l’exciton est un boson fragile : lorsque l’on augmente la densité des excitons dans un semi-conducteur, ceux-ci ont tendance à se désagréger en un plasma de fermions : électrons et trous. Nous avons ainsi pu mettre en évidence une condensation de Bose-Einstein en milieu solide à 20K (-253°C). Cette température est étonnamment élevée et laisse entrevoir l’éventualité de créer des condensats à température ambiante. Notons qu’il avait fallu attendre 1995 pour que ce phénomène quantique prédit par Einstein en 1924 soit enfin observé dans un gaz d’atomes refroidis à moins de 1 micro-kelvin (prix Nobel 2001). La condensation obtenue ici repose quant à elle sur des « polaritons », quasi-particules un milliard de fois plus légères que les atomes. Elle a été observée dans des « microcavités semi-conductrices » conçues, fabriquées et analysées à Grenoble. Nous donnons ici un aperçu succinct de ce travail réalisé en collaboration avec l’Ecole Polytechnique de Lausanne, l’Université de Cambridge et le Massachusetts Institute of Technology : L’approche retenue ici a été de travailler sur le « polariton ». Cette pseudo-particule complexe se forme lorsqu’un exciton d’un semi-conducteur s’associe fortement avec un photon. Ce phénomène se produit par exemple quand un exciton confiné dans le plan d’un puits quantique (QW sur la figure 1, ci-dessus) cohabite avec un photon de même énergie, piégé dans le même plan, entre les deux miroirs d’une microcavité.
Microcavité à puits quantique
schéma d’un microcavité à puits quantique bi-dimensionnel (QW) avec confinement des photons entre deux miroirs de Bragg.
Du fait de leur nature partiellement photonique, les polaritons sont des bosons ayant une masse effective très légère, un milliard de fois plus petite que celle d’un atome. Ils sont alors susceptibles de former un condensat à beaucoup plus haute température. La figure 2, ci-dessous, montre l’apparition d’un condensat, dans l’espace des vecteurs d’onde, à une température de 5K, en fonction de l’intensité d’excitation qui génère des paires électron-trou dans l’échantillon. Au-delà de la densité critique pour la condensation tous les polaritons additionnels apportés au système rejoignent l’état de minimum d’énergie au lieu de se répartir sur l’ensemble des énergies disponibles. Une expérience similaire non montrée ici consiste à maintenir la densité de polaritons constante et à faire varier la température. Le même effet de seuil, menant à la formation d’un condensat, est observé.

Condensation de Bose-Eisntein
Apparition d’un condensat de polaritons observée, dans l’espace des vecteurs d’onde, au-delà d’une densité critique de polaritons. Cette densité est atteinte au-delà d’une puissance seuil d’excitation (Pthr) pour la photo-création des paires électron-trou.
© Institut Néel 2012 l Webdesign chrisgaillard.com l Propulsé par spip l Dernière mise à jour : jeudi 5 décembre 2019 l