Un électron brisé en deux... quasiparticules

L'électron a beau être une particule élémentaire, il peut dans certaines conditions être "cassé" en deux! C'est ainsi qu'une quasiparticule, l'orbiton, a été observée pour la première fois.

Briser un électron en plusieurs morceaux, cela parait a priori impossible, puisqu’il s’agit d’une particule élémentaire. Et pourtant, des physiciens allemands et suisses annoncent aujourd’hui dans la revue Nature qu’ils ont observé la séparation d’un électron en deux entités distinctes, le spinon et l’orbiton. Il s’agit de quasiparticules dont l’existence a été théorisée depuis une quinzaine d’années.

Les électrons isolés sont des particules élémentaires qui ne peuvent pas être séparées en d’autres entités. Il en va autrement des électrons au sein d’un matériau : ils interagissent avec leur environnement et adoptent des comportements différents. Ces électrons ont trois propriétés : sa charge électrique, son spin (sa rotation qui en fait un micro-aimant), et son orbite autour du noyau atomique. Ces trois propriétés forment chacune une entité qui se propage dans une direction. Il en découle trois quasiparticules : l’orbiton, le spinon et le holon. Les deux dernières avaient déjà été observées expérimentalement il y a quelques années. C’est désormais aussi le cas de l’orbiton.

Thorsten Schmitt, de l’Institut Paul Scherrer (Suisse) et ses collègues européens ont réussi à observer la désintégration d’un électron en spinon et en orbiton dans un oxyde de cuivre (Sr2CuO3). Pour y parvenir, ils ont utilisés une source synchrotron, bombardant la surface de rayons X afin d’exciter les électrons, qui absorbent une partie de l’énergie. Ensuite, c’est en comparant la différence entre le rayonnement reçu et le rayonnement émis par le matériau que les physiciens déduisent les propriétés des nouvelles particules obtenues. Ou plutôt des quasiparticules car elles n’existent pas en dehors de ce matériau.

La compréhension de cette propriété pourrait aider à la mise au point des matériaux supraconducteurs à haute température. Ces matériaux qui n’opposent aucune résistance au passage d’un courant électrique doivent être refroidis à une température proche du zéro absolu (-273°C) et les physiciens tentent de remonter le thermomètre.. Aujourd’hui le record de supraconductivité à haute température est autour de -150°C !