Une étude publiée dans Nature Physics, menée avec une contribution de l’Université de Bâle, met en évidence un phénomène rare au cœur de la physique quantique des matériaux : l’apparition de polarons de cristal de Wigner dans un semi-conducteur atomiquement mince. Un cristal de Wigner se forme lorsque des électrons, au lieu de se déplacer librement, s’organisent spontanément en réseau sous l’effet de leurs fortes interactions électriques.
Les chercheurs, notamment du Quantum Opto-Electronics Group de l’Université de Bâle, ont utilisé la lumière pour sonder directement les excitations collectives de ce cristal électronique. Pour cela, ils ont travaillé avec une monocouche de WSe₂, un matériau bidimensionnel dont la densité électronique peut être finement contrôlée par une grille électrique, à très basse température.
Lorsqu’un photon crée un exciton (une paire électron-trou) celui-ci peut interagir avec l’environnement électronique du matériau. Dans cette étude, les excitons ne se contentent pas d’être diffusés par le cristal de Wigner : ils « s’habillent » des excitations collectives de ce cristal, formant des polarons de cristal de Wigner. Ces signatures apparaissent comme de nouvelles résonances dans les spectres optiques de réflectance cryogénique.
Les auteurs montrent aussi que ces excitations sont sensibles à l’état de spin du cristal électronique. Cet état peut être contrôlé par un champ magnétique, mais aussi optiquement à l’aide de lumière polarisée circulairement.
Ces résultats ouvrent une nouvelle fenêtre sur les phases électroniques fortement corrélées. Ils suggèrent que les matériaux de van der Waals pourraient devenir des plateformes privilégiées pour explorer, par la lumière, des états quantiques collectifs difficiles à observer autrement.