Des physiciens viennent pour la première fois de mettre en évidence un comportement dynamique dit de « masse nulle » pour des électrons dans un matériau à trois dimensions.

Un électron qui se déplace dans un cristal interagit avec les différents atomes de ce matériau. Ces collisions modifient la dynamique de l’onde quantique électronique et au final, lorsque toutes les interactions avec la matière sont prises en compte, tout se passe comme si les électrons se déplaçaient dans le vide, mais avec une masse plus lourde ou plus légère que leur masse « habituelle ». Dans certaines situations, il est possible que la vitesse de l’électron ne dépende pas de son énergie, ce qui correspond à une situation dite de « masse nulle ». Alors que ce phénomène n’avait été observé jusqu’à présent que dans des systèmes à une dimension (par ex. des nanotubes) ou à deux dimensions (par ex. du graphène), deux équipes de physiciens viennent, pour la première fois, de mettre ce phénomène en évidence à trois dimensions.

Ce résultat est le fruit d’une collaboration internationale de chercheurs issus notamment du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI, du Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés - LPMMC (CNRS / UJF) et du Laboratoire Charles Coulomb - L2C (CNRS/Univ. Montpellier 2). Ils ont mis en évidence un comportement de « masse nulle » pour les électrons d’un cristal de structure de type zinc-blende, dans un alliage de mercure cadmium et tellure (HgCdTe), au point de la transition topologique d’un semi-conducteur à un semi-métal. Ce travail est publié dans la revue Nature Physics.

Les électrons « sans masse » avaient déjà été évoqués dans les années 1960 dans HgCdTe, 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. Une fois ce matériau synthétisé, les physiciens ont procédé à des mesures de spectroscopie magnéto-optique, mesurant l’énergie des transitions dans le domaine optique en faisant varier le champ magnétique.
L’une des observations principales de ce travail est l’évolution caractéristique des énergies des transitions optiques, qui augmente comme la racine carrée du champ magnétique. Dans ce système, la structure de bande des alliages de HgCdTe peut être aisément façonnée en ajustant le taux de cadmium, pour concevoir et fabriquer des alliages présentant un « gap à la demande », ainsi que des interfaces de matériaux avec des électrons massifs ou de masse nulle. Les processus de diffusion et la dynamique de ces électrons de « masse nulle » sont actuellement étudiés, dans la perspective d’élaborer de nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de HgCdTe.

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.

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Actualité diffusée par l’INP-CNRS

Observation of three-dimensional massless Kane fermions in a zincblende crystal,
M. Orlita, D. M. Basko, M. S. Zholudev, F. Teppe, W. Knap, V. I. Gavrilenko, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, P. Neugebauer, C. Faugeras, A-L. Barra, G. Martinez et M. Potemski, Nature Physics, doi :10.1038/nphys2857(2014)