Equation d'état et distribution de défauts de densité lors de la formation d'un quasi-condensat d'excitons
Publié par Redbran le 12/11/2019 à 14:00
Source et illustration: CNRS INSP
Les excitons dipolaires dans l'arséniure de gallium (GaAs) constituent un système modèle pour étudier les états collectifs dans un semiconducteur à 2 dimensions. En effet, ces excitons à fort moment dipolaire possèdent de très longs temps de vie (La vie est le nom donné :), ce qui leur permet de se thermaliser à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...). Un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) d'excitons dipolaires peut alors réaliser un quasi-condensat bidimensionel (état macroscopiquement cohérent). à l'INSP, une série d'expériences, en collaboration avec le C2N et l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Grenoble, a été conduite afin de quantifier thermodynamiquement la quasi-condensation des excitons dipolaires confinés dans un piège électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni...) de cette transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).). Ces travaux marquent une étape encourageante en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions...) de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless avec un gaz d'excitons dipolaires.


Figure 1
Variation de la distribution de défauts de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) dans le régime normal (gauche) et dans le régime où un quasi-condensat apparait au centre d'un piège électrostatique confinant un gaz d'excitons dipolaires (droite).

Soumis à un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace...), un double puits quantique de GaAs permet d'imposer une séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) spatiale entre électrons et trous, qui sont confinés chacun dans un plan distinct. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) coulombienne entre ces porteurs de charges opposées conduit alors à la formation d'excitons caractérisés par leur fort moment dipolaire électrique, d'où leur appellation d'excitons dipolaires. Depuis quelques années, des travaux expérimentaux conduits à l'INSP ont mis en évidence la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) des excitons dipolaires en dessous d'un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...).

Ici, la formation de l'état condensé est caractérisée par son équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à...) d'état, c'est-à-dire par la variation de la densité d'excitons dans l'espace des phases (L'espace des phases est un espace abstrait dont les coordonnées sont les variables dynamiques du système étudié.) en fonction du potentiel chimique. Mesurer l'équation d'état a notamment permis de quantifier la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) des interactions dipolaires entre excitons qui, jusque là était encore mal connue. Ensuite, en corrélant la distribution spatiale des défauts de densité dans un gaz froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) d'excitons, à moins d'un degré Kelvin, avec son degré de cohérence spatiale, nos travaux ont montré que l'apparition d'un quasi-condensat s'accompagne d'une forte déplétion (Le terme déplétion peut faire référence à :) de la densité de défauts. Cette corrélation est attendue dans le cadre de la théorie de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless qui régit la quasi-condensation à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...).

Des analyses ultérieures permettront peut-être de montrer des signatures directes de cette théorie célébrée par le prix Nobel 2016.

Référence publication:
Defect Proliferation at the Quasicondensate Crossover (CrossOver (CrossOver Office jusqu'à la version 6.0) est un programme commercial et propriétaire développé par CodeWeavers, permettant d'exécuter de...) of Two-Dimensional Dipolar Excitons Trapped in Coupled GaAs Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible,...) Wells
Suzanne Dang, Romain Anankine, Carmen Gomez, Aristide Lemaître, Markus Holzmann, François Dubin
Phys. Rev. Lett. 122, 117402 – Published 22 March 2019 DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117402

Contact chercheur:
François Dubin
francois.dubin at insp.jussieu.fr
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