On a vu l'orbiton, l'un des trois avatars des électrons dans un solide

Dans certains matériaux formant un réseau cristallin « 1D », les électrons se comportent collectivement comme un liquide qui serait constitué de particules ayant chacune une seule des caractéristiques d’un électron : les chargeons, les spinons et les orbitons. Seules les deux premières avaient été observées. Jusqu'à aujourd'hui...

Dans le monde de la physique quantique, les particules ne sont ni vraiment des ondes, ni vraiment des particules. On est en fait confronté à des quanta d’énergie dont les manifestations ressemblent parfois, selon l'instrument de mesure, à de vraies ondes ou à des vraies particules. L’une des conséquences de l’existence de quanta d’énergie est que divers mouvements collectifs de particules élémentaires, aux échelles d’énergie de ces mouvements, apparaissent eux-mêmes comme de nouvelles particules portant un quantum d’énergie chacune.

Ainsi, même si nous savons que les noyaux sont composés de protons et de neutrons, aux échelles d’énergie de la physique atomique, par exemple lorsque l’on chauffe un peu un bloc de fer ou lorsqu’on le soumet à une différence de potentiel, ces noyaux se comportent comme des particules élémentaires. En dessous du point de fusion du fer, les oscillations des noyaux autour de leur position d’équilibre font que les lois de la physique quantique imposent l’existence de paquets d’énergie liés à ces oscillations et aux ondes sonores se propageant dans le réseau cristallin. Ce sont des phonons, bel exemple de ce qu'il est convenu d'appeler des « quasi-particules ».

Dans un matériau supraconducteur classique, ces phonons forcent les électrons de conduction à former des paires de Cooper, lesquelles constituent alors une sorte de superfluide pouvant s’écouler sans résistance électrique. Dans un semi-conducteur, les électrons quittant la bande de valence pour aller dans la bande d’énergie de conduction, celle où ils peuvent se déplacer sans être liés autour d’un noyau du semi-conducteur, laissent un trou qui peut lui-même être décrit comme une quasi-particule. On peut lui associer une charge, un moment cinétique et une masse effective, comme une vraie particule élémentaire.

Dans les années 1950, l’un des découvreurs de la formulation relativiste de la théorie quantique des champs, le prix Nobel de physique japonais Sin-Itiro Tomonaga, avait jeté les bases de la théorie de la conduction des électrons dans des solides que l’on pouvait considérer comme des objets en 1D (en tout état de cause, résoudre des problèmes en 1D est parfois un bon moyen de comprendre plus facilement des phénomènes en 2D ou 3D). Reprise et reformulée dans les années 1960 par le physicien Joaquin Luttinger, et malgré des erreurs de sa part, elle est connue aujourd’hui sous le nom de théorie des liquides quantiques de Tomonaga-Luttinger. C'est le physicien Lev Landau qui est à l'origine de la théorie des liquides quantiques, plus précisément des liquides de Fermi, c'est-à-dire du comportement des électrons (qui sont des fermions) dans un solide quand on ne peut plus négliger les interactions des électrons entre eux. Un modèle de gaz de particule est alors moins pertinent.

Comme Tomonaga l’avait compris, le comportement collectif du liquide quantique d’électrons dans ces structures faisait apparaître un curieux phénomène, celui de séparation spin-charge. Tout se passait comme si ce liquide d’électrons était composé de particules différentes portant seulement l'une des caractéristiques de l'électron.

Tout comme les phonons, ces particules sont en réalité des quasi-particules mais il s'agit alors de spinons (des quasi-particules possédant le spin ½ d’un électron mais aucune charge) et de chargeons (chargons en anglais, d’autres quasi-particules cette fois-ci dépourvues de spin mais possédant la charge d’un électron). Dans un semi-conducteur, cela donnerait lieu aussi à la formation de holons, c'est-à-dire encore des chargeons mais avec une charge opposée à celle de l'électron. Les électrons sont toujours là en tant que particules élémentaires mais leur comportement est équivalent à celui d’un mélange de spinons et de chargeons/holons. On exprime parfois ce fait en disant que l'électron a été scindé en trois particules, mais l'expression est quelque peu abusive et même trompeuse.

L’existence des spinons et des chargeons n’a été vraiment démontrée qu’il y a quelques années seulement. Mais il manquait à l’appel une autre quasi-particule dont l’existence avait été découverte théoriquement vers la fin des années 1990 : l’orbiton. Elle tire son nom de sa caractéristique. Si un électron possède un moment cinétique intrinsèque, son spin, il a aussi un moment cinétique orbital lorsqu’il tourne autour d’un noyau.

Comme l’explique un article publié dans Nature, l’orbiton a finalement été découvert par des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer, en Suisse, en faisant se diffracter des rayons X sur une structure 1D dans un échantillon de Sr2CuO3. Selon l’un d’entre eux, ce comportement collectif des électrons, équivalent à l'existence d’un mélange de trois types de quasi-particules différentes, pourrait bien contenir, avec la découverte de l’orbiton, une des clés pour comprendre la supraconductivité à haute température critique des fameux cuprates.