Au-delà des particules familières comme les électrons et les protons, les scientifiques ont découvert un zoo de « quasiparticules » aux noms exotiques, comme les magnons, les angulons, les gouttelettes et les polaritons. Mais que sont exactement les quasiparticules ? Et étant donné le « quasi » dans leur nom, sont-elles considérées comme de véritables particules ?
Une façon de comprendre les quasiparticules consiste à explorer ce qu’est une particule. L’image mentale standard d’une particule « est celle d’un objet discret, comme une balle ». Douglas Natalsonun physicien de la matière condensée à l’Université Rice de Houston, a déclaré à Live Science. Cependant, cette image classique des particules a changé avec l’avènement de physique quantiquequi a révélé que l’univers devient flou à ses plus petits niveaux. Par exemple, en 1924, le physicien français Louis de Broglie montra que des particules telles que des électrons pourraient également se comporter comme des ondes — une découverte qui lui a valu un prix Nobel.
Moderne physique suggère que les particules sont des excitations dans des champs qui imprègnent l’univers entier, un peu comme une ondulation dans un étang, Ross McKenziephysicien théorique de la matière condensée et professeur émérite à l’Université du Queensland en Australie, a déclaré à Live Science. Chaque type de particule possède son propre champ correspondant. Par exemple, les photons de lumière sont des ondulations du champ électromagnétiquea noté McKenzie.
La nature quantique des particules signifie qu’elles peuvent non seulement voler dans le vide, mais aussi se propager à travers la matière. Par exemple, les photons peuvent traverser des matériaux transparents et translucides, et les électrons peuvent circuler à l’intérieur des fils.
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Si vous pouvez imaginer une particule standard, telle qu’un électron, comme une ondulation se déplaçant dans un matériau, vous pouvez également imaginer d’autres types d’excitations au sein de la matière. Ces autres types d’ondulations sont des quasiparticules.
Par exemple, pensez à « la vague » réalisée lors d’un événement sportif. « Vous pouvez le regarder se propager autour d’un stade de football ; il a un emplacement et une vitesse », a déclaré Natelson. « Mais cela n’existe qu’à l’intérieur du stade et il est constitué de la réponse collective de tous les supporters en interaction. »
De la même manière, « les quasi-particules ne peuvent exister que dans un milieu ou un matériau donné, car elles sont construites à partir de la réponse des constituants ou des éléments constitutifs de ce matériau », a déclaré Natelson ; en revanche, des particules telles que des électrons et des protons « peuvent exister dans l’espace libre ».
En d’autres termes, les quasiparticules ne peuvent pas exister dans le vide ni par elles-mêmes. Ils dépendent de particules agissant ensemble et se trouvant dans un matériau où elles peuvent émerger, tout comme une vague émise dans un stade ne peut exister que lorsqu’il y a un groupe de personnes capables de la réaliser.
Une question philosophique concernant les quasiparticules est de savoir si elles sont réelles, a noté McKenzie. Après tout, « quasi » en latin signifie « presque ».
« Les particules fondamentales peuvent exister isolément dans le vide, et les quasiparticules ont besoin de nombreuses particules en interaction pour exister », a déclaré McKenzie. « Néanmoins, je dirais que les quasiparticules sont, à toutes fins utiles, tout aussi réelles que les particules, dans la manière dont vous pouvez les détecter et les manipuler. »
Un zoo de quasiparticules
Le concept de quasiparticules est né du physicien théoricien Lev Landau dans les années 1950, a déclaré McKenzie, et cette idée a finalement aidé Landau à gagner. le prix Nobel de physique en 1962. Les scientifiques ont maintenant proposé l’existence de dizaines de types de quasiparticules, dont les suivants :
- Le phonon, qui est une quasi-particule du son, est le plus petit paquet d’énergie vibratoire qui constitue le son dans la matière, a déclaré McKenzie.
- Le trou électronique, souvent simplement appelé trou, est le vide chargé positivement laissé une fois qu’un électron a quitté sa place d’origine, a noté McKenzie.
- La quasiparticule électronique, qui consiste essentiellement en un électron et ses interactions avec son environnement. Cet ensemble combiné signifie que la quasi-particule électronique nécessite plus de force pour se déplacer, elle a donc effectivement plus de masse qu’un électron ordinaire, a expliqué McKenzie.
- L’exciton, une quasi-particule constituée d’un électron et d’un trou en orbite l’un autour de l’autre.
- L’anyon, une sorte de quasiparticule jusqu’à présent observée uniquement dans les systèmes bidimensionnels, qui ne peut transporter qu’une fraction d’une charge électrique.
« Combien de types de quasiparticules existe-t-il ? dit McKenzie. « Tout comme il existe un nombre infini d’états possibles de la matière, je dirais qu’il existe en principe un nombre infini de types de quasiparticules. »
Les scientifiques décrivent l’activité dans la matière comme des quasiparticules « parce que cela simplifie considérablement tout », a déclaré McKenzie. Dans le même ordre d’idées, Natelson a déclaré que « très souvent, les mathématiques derrière les phénomènes physiques dans les solides sont bien décrites par les quasiparticules ».
- Quelle est la plus petite particule de l’univers ? (Et le plus grand ?)
- Où les électrons obtiennent-ils l’énergie nécessaire pour tourner autour du noyau d’un atome ?
- Les atomes se touchent-ils parfois ?
Les quasiparticules ne sont pas simplement utiles pour la comptabilité. Par exemple, les chercheurs décrivent généralement le comportement de l’électricité dans les appareils électroniques sous forme de quasiparticules telles que des trous et des excitons, a déclaré Natelson.
Dans l’ensemble, la réponse à la question de savoir si les quasiparticules sont réelles est une question d’interprétation. Si la question est de savoir si une quasiparticule est ou non une particule élémentaire comme un électron, la réponse est non : ils ne peuvent pas exister par eux-mêmes et dépendent des matériaux dans lesquels ils se manifestent.
Cependant, si la question est de savoir si les quasiparticules sont ou non des phénomènes réels, la réponse est oui : ce sont des choses que les scientifiques peuvent mesurer et qui peuvent se comporter comme des particules et avoir effectivement bon nombre des mêmes propriétés que les autres particules.
