Pour la première fois, des physiciens observent une étrange particule qui n’a de masse que lorsqu’elle se déplace dans une direction donnée

Le monde subatomique est un monde des plus mystérieux. Les particules peuvent s'y comporter de manière très étrange. Par exemple, certaines peuvent sembler massives lorsqu'elles se déplacent dans une direction donnée et extrêmement légère, sans masse même, lorsqu'elles partent dans une autre. C'est du moins ce que des physiciensphysiciens avaient prédit il y a plus de 15 ans déjà. Mais jamais une telle particule - ou plus exactement quasi-particule - dite « fermion semi-Dirac » n'avait pu être observée jusqu'à ce jour.

Et voici que des chercheurs de Penn State et de l'université ColumbiaColumbia (États-Unis) rapportent, dans la revue Physical Review X, avoir été les témoins totalement involontaires de la présence de telles particules à l'intérieur d'un cristal de matériau semi-métallique composé de zirconium, de siliconesilicone et de soufre, le ZrSiS. « C'était totalement inattendu », raconte Yinming Shao, professeur de physiquephysique à Penn State, dans un communiqué. « Nous ne cherchions même pas un fermion semi-Dirac lorsque nous avons commencé à travailler avec ce matériau. »

Ce que les chercheurs voulaient savoir, c'est comment le cristal placé dans des conditions de température extrême - à environ -269 °C, soit à peine au-dessus du zéro absolu - réagirait s'il était exposé à de puissants champs magnétiqueschamps magnétiques. Comme ceux produits par l'aimantaimant du National High Magnetic Field Laboratory (États-Unis). Des champs environ 900 000 fois plus puissants que celui de notre Terre. Et ils n'ont pas été déçus. « Nous avons observé de nombreuses caractéristiques que nous nous attendions à voir. Puis toutes ces autres choses se sont produites. Des choses absolument déroutantes », commente Yinming Shao.

La signature de fermions semi-Dirac identifiée

Le champ magnétique appliqué au cristal de ZrSiS a en effet contraint ses électronsélectrons à se comporter de manière extrêmement bizarre. Au lieu de suivre le classique courant électriquecourant électrique, ils se sont mis à adopter des trajectoires circulaires. Sous l'effet du froid, ils se sont également mis à se comporter comme une onde qui s'autorenforçait. Et ils ont ainsi provoqué l'apparition de quelque chose qui faisait penser à des fermions semi-Dirac.

La confirmation est ensuite venue d'une analyse de la façon dont le cristal réfléchissait différentes fréquencesfréquences de lumière infrarouge, alors que les chercheurs faisaient varier les intensités du champ magnétique appliqué. Mais pour comprendre, quelques explications supplémentaires sont peut-être nécessaires à ce stade. Il faut savoir que lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un matériau, les niveaux d'énergieénergie de ses électrons sont quantifiés en niveaux discrets appelés niveaux de Landau. Ainsi, les niveaux d'énergie des électrons ne peuvent avoir que des valeurs fixes. Et la différence entre ces valeurs dépend de la masse des électrons et de la force du champ magnétique. De fait, lorsque le champ magnétique augmente, les niveaux d'énergie des électrons devraient augmenter de quantités définies entièrement basées sur leur masse. C'est ce que les physiciens de Penn State et de l'université Columbia ont voulu vérifier. Cependant, dans leur expérience, cela n'a pas été le cas. Dans le cristal ZrSiS, l'espacement entre les niveaux de Landau suivait un modèle de dépendance au champ magnétique très différent. Semblable à celui que les théoriciens avaient présenté par le passé comme la signature clé des fermions semi-Dirac.

Une particule hybride d’électron et de neutrino

Les expérimentateurs ont alors fait appel à des collègues théoriciens. Pour développer un modèle décrivant la structure de leur cristal semi-métallique. « Imaginez que la particule est un minuscule train confiné dans un réseau de pistes dessinées par la structure électronique sous-jacente du matériau, explique Yinming Shao. Poussé par le champ magnétique, ce train de particules se déplace le long de sa piste rapide, à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière. Mais lorsque le champ magnétique change de direction, c'est comme s'il atteignait une intersection et devait passer sur une piste perpendiculaire. Soudain, il subit une résistancerésistance. Il a une masse. » Comme ce train imaginaire, les fermions semi-Dirac se concentrent aux points de croisement de la structure électronique du cristal ZrSiS. Et les physiciens les décrivent comme des hybrideshybrides exotiquesexotiques d'électrons ordinaires et de particules cosmiques plus inhabituelles et sans masse comme les neutrinosneutrinos.

Outre l'intérêt purement théorique de l'observation, les physiciens y voient de potentielles applicationsapplications. « Le ZrSiS est un matériau stratifiéstratifié - comme le graphènegraphène -, ce qui signifie qu'une fois que nous aurons compris comment obtenir une seule couche de ce composé, nous pourrons exploiter la puissance des fermions semi-Dirac et contrôler ses propriétés avec la même précision que le graphène, conclut Yinming Shao. Mais la partie la plus passionnante de cette expérience est que nos données ne peuvent pas encore être entièrement expliquées. Il reste de nombreux mystères non résolus dans ce que nous avons observé. »