Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide. Le condensat excitonique, un état dans lequel les paires électron-trou s'écoulent sans résistance, n'avait été observé auparavant que dans des systèmes à deux couches. Désormais, des physiciens chinois ont montré que la cohérence peut unir trois couches électroniques indépendantes à la fois.
Le sandwich de trois monocouches de graphène a été assemblé avec des espaceurs en nitrure de bore hexagonal d'épaisseur 1,3 et 2 nanomètres. Par-dessus, on a déposé une monocouche de disulfure de tungstène (WSe2), dont les excitons de Rydberg, des états excités de type hydrogène à grand rayon, servent de sonde optique ultrasensible. Ces excitons ressentent la charge dans les couches adjacentes via l'interaction coulombienne, et leur réponse s'atténue avec la distance, ce qui permet de distinguer les contributions des différentes couches. À une température de 1,8 K et sous un champ magnétique de 9 T, on a mesuré le contraste de réflexion en balayant le remplissage et le champ de déplacement.
En ajustant le déplacement et le champ de déplacement, les trois canaux par paires convergent vers un point commun où les niveaux de toutes les couches sont presque dégénérés. Là, l'incompressibilité est préservée, et l'énergie ainsi que le poids spectral de l'exciton 2s prennent des valeurs intermédiaires entre les limites par paires. Cela indique un état unique à trois composantes, et non un mélange de paires indépendantes. Auparavant, on ne savait pas s'il était possible de réaliser un état cohérent unissant trois couches électroniques indépendantes, ni comment le détecter. On obtient maintenant les premières preuves optiques d'un tel condensat.
Les trois couches de graphène forment un liquide quantique unique avec deux phases, un peu comme trois voix dans un accord conservent leur individualité tout en sonnant ensemble. L'architecture peut être étendue à un plus grand nombre de couches, créant ainsi une dimension synthétique programmable avec des énergies et des couplages ajustables. Cela permettrait de modéliser des modèles de réseau fortement corrélés et de rechercher des phases exotiques, telles que la superfluidité anyonique ou des états fractionnaires à charge irrationnelle. La sonde optique à base d'excitons pourrait être adaptée pour visualiser les diagrammes de phase en temps réel.
Les excitons de Rydberg dans WSe2 sont si sensibles qu'ils distinguent des couches de graphène séparées de seulement 1,3 nanomètre, soit des dizaines de milliers de fois plus fin qu'un cheveu humain. Sous un champ magnétique de 9 T, la longueur magnétique (taille caractéristique de l'orbite électronique) est d'environ 8,5 nm, comparable à la distance entre les couches.
L'idée d'un état cohérent à trois composantes rappelle la « tricordia » dans la série « Star Trek » : une créature avec trois personnalités indépendantes agissant comme un tout. En physique, trois couches de graphène forment un liquide quantique unique avec deux phases, un peu comme la tricordia unit trois esprits.