INDICES DE TOURBILLONS CHARGÉS DANS UN FLUIDE DE PAIRES NEUTRES

Dans un superfluide, les particules bougent ensemble comme une seule onde quantique ; un supraconducteur conduit le courant sans résistance. Mettez le premier en rotation, plongez le second dans un champ magnétique, et tous deux montrent un trait caractéristique : un réseau de tourbillons quantifiés, ou vortex, de minuscules tourbillons qui portent chacun une quantité de rotation fixe et indivisible. Dans un fluide fait d’excitons, un tel réseau restait hors d’atteinte : les excitons ne portent aucune charge électrique, et un champ magnétique, qui fait tourbillonner un fluide chargé, n’a pas prise sur eux.

Des paires qui ne portent rien

Un exciton est un électron lié à un trou, la place laissée vide par un électron manquant. Créés par la lumière, les excitons vivent très peu de temps et, neutres, se laissent mal sonder électriquement. Séparer les partenaires, les électrons dans une couche et les trous dans une autre, fait durer les paires bien plus longtemps et permet de brancher chaque couche séparément.

Assez refroidies, ces paires se condensent et partagent une même phase quantique — un rythme commun — dans tout le fluide, un peu comme les paires d’électrons d’un supraconducteur. Des signatures électriques existaient, mais, écrivent les auteurs, aucune preuve sans ambiguïté de cette cohérence de phase globale n’avait encore été obtenue.

Où irait la charge en trop

Ce qu’on attend d’un tel fluide : dans un fort champ magnétique, ajoutez quelques électrons, et leur charge devrait se fractionner et se loger dans les cœurs de vortex et d’antivortex, des tourbillons de la phase commune qui tournent en sens opposés. D’ordinaire, ils s’annihilent. Ici, leurs cœurs chargés se repoussent, et en 2025, deux des auteurs, Bo Zou et Allan MacDonald, de l’université du Texas à Austin, ont prédit qu’ils se figeraient en nid d’abeilles : les vortex sur un jeu de sites, avec leur charge dans la couche du haut, les antivortex sur l’autre, dans la couche du bas.

Contrairement aux vortex d’un supraconducteur, qui portent un flux magnétique, ceux-ci portent une charge électrique. Chaque maille du nid d’abeilles contient exactement une charge élémentaire, celle d’un électron. Plus on ajoute de charge, plus les mailles rapetissent : leur surface diminue en proportion inverse de la charge ajoutée.

Deux feuillets de carbone et une aiguille

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo et leurs collègues de l’équipe d’Ali Yazdani, à l’université de Princeton, ont superposé deux feuillets de graphène épais d’un atome, à 3,2 nanomètres l’un de l’autre — environ trois millionièmes de millimètre —, séparés par du nitrure de bore hexagonal venu de l’Institut national japonais pour la science des matériaux, sous un champ de 9 teslas (le tesla est l’unité d’intensité du champ magnétique). Dans ce champ, les énergies des électrons se regroupent en marches appelées niveaux de Landau. Deux tensions règlent leur remplissage : l’une, appliquée par une grille placée sous les feuillets, fixe la charge totale ; l’autre fait passer de la charge d’un feuillet à l’autre. Quand les deux feuillets remplissent ensemble un nombre entier de niveaux, chacun n’étant que partiellement rempli, un électron de l’un s’apparie à un trou de l’autre, et le condensat se forme.

L’équipe l’a imagé avec un microscope à effet tunnel, à 0,2 degré au-dessus du zéro absolu : des électrons sautent entre une pointe fine et le feuillet du haut, et le courant dépend de ce qui se trouve dessous, y compris la charge logée dans les cœurs des vortex.

Un réseau qui se resserre avec la charge

Avec quelques électrons ajoutés ou retirés, les cartes du courant, prises sur des zones sans défaut d’environ 400 nanomètres de large, ont montré des points brillants réguliers. Une transformée de Fourier, un calcul qui change un motif répétitif en pics nets, en a donné six : un réseau à symétrie d’ordre six.

À mesure que des électrons s’ajoutaient, le réseau se resserrait, son pas passant d’environ 135 nanomètres au début à environ 60, tout près de la courbe prédite. D’abord clairsemé, il est devenu bien ordonné, puis a fondu quand on en ajoutait davantage. Les points dessinent un motif triangulaire plutôt qu’un nid d’abeilles : la pointe sonde le feuillet du haut, où les vortex portent plus de charge que les antivortex du dessous.

Le test qu’un cristal d’électrons rate

Des électrons qui se repoussent peuvent aussi se figer seuls en réseau : c’est un cristal de Wigner. Dans le seul feuillet du haut, son pas ne dépendrait que de la charge de ce feuillet. Or, près du condensat, cette charge change à peine, car le feuillet du bas fait écran à la grille ; le pas mesuré, lui, a changé. En dessous d’un remplissage supplémentaire de 0,17 niveau, la prédiction du cristal de Wigner s’écarte nettement des données.

Le test décisif : le pas du réseau de vortex ne devrait dépendre que de la charge ajoutée totale, pas de sa répartition entre les feuillets, car les tourbillons sont des défauts de la phase que les paires partagent d’un feuillet à l’autre, et cette phase ne « voit » que la charge ajoutée au total. L’équipe a gardé ce total fixe et fait passer de la charge d’un feuillet à l’autre : le remplissage de chacun a varié jusqu’à 30 %. Un cristal de Wigner dans le feuillet du haut aurait vu son pas varier d’environ 20 nanomètres. Le pas mesuré est resté à environ 60. Seul le contraste de l’image s’est atténué, à mesure que la charge passait des vortex du haut aux antivortex du bas, sans les déplacer.

Vers un remplissage supplémentaire de 0,17, le feuillet du bas cesse d’accepter de la charge, et tous les électrons ajoutés se retrouvent dans celui du haut. Là, le pas rejoint celui d’un cristal de Wigner ordinaire dans le feuillet du haut : la transition que la théorie annonçait.

Les trous dessinent le même motif, inversé

Retirer des électrons au lieu d’en ajouter a produit le même genre de réseau, encore mieux ordonné, sans doute parce que cette région compte moins de désordre. Son contraste est inversé, comme attendu si la charge des cœurs change de signe, et son pas suit de nouveau la seule charge ajoutée totale.

Ce que dit une image de 400 nanomètres

Dans un supraconducteur, un réseau de vortex qui couvre toute une image montre que le fluide garde sa phase au moins sur cette distance. Ici, le réseau qui remplit le champ de vue fixe une borne inférieure d’environ 400 nanomètres à la portée de la cohérence de phase du condensat. Le remplissage de chaque feuillet, enfin, n’est pas mesuré directement : un modèle électrostatique le calcule à partir des deux tensions.

L’équipe présente ses images comme des indices — « evidence », dit son titre — en faveur du réseau prédit et d’une cohérence de phase dans un superfluide d’excitons. Le même microscope pourrait désormais suivre ces tourbillons quand ils bougent, s’accrochent aux défauts et fondent, dans un superfluide fait uniquement d’électrons.