Des cristaux de Wigner bidimensionnels adressables

Dans le cadre du projet SLAB, une équipe du LPT et du LPTMS, en collaboration avec l’Université Technique de Vienne, a observé un processus d’auto-organisation des particules chargées, qui peuvent former une étonnante variété de structures, contrôlables de façon fine par des paramètres extérieurs.

Des cristaux de sel aux opales iridescentes, la diversité des structures cristallines que l’on peut rencontrer est frappante. Les systèmes colloïdaux en particulier peuvent s’assembler spontanément pour former des structures ordonnées, par un procédé dénommé auto-organisation. Une collaboration impliquant deux chercheurs PALM, ainsi que leurs collègues viennois et slovaques, vient de montrer que de nouvelles structures peuvent être obtenues et contrôlées, lorsque des objets chargés identiques (en interaction répulsive) sont soumis au confinement induit par des plaques elles-mêmes chargées. Des variations faibles de la distance entre plaques, ou de leur charge, conduisent à des réorganisations complexes. Emergent ainsi des structures inédites, qui peuvent être de symétrie triangulaire, quadrangulaire, ou encore pentagonale. Ces dernières sont inhabituelles, et peuvent être des précurseurs d’un ordre quasi-cristallin. Chacune des deux couches possède sa propre symétrie, tandis que la stabilité de l’ensemble requiert une intrication fine des deux ordres.

Le travail généralise aux bicouches chargées les études pionnières de Wigner dans les années 1930 sur les monocouches, confirmées bien après par des expériences mettant en jeu des électrons au voisinage d’une surface d’hélium. Cette étude a nécessité le croisement de calculs analytiques, avec les résultats de simulations numériques de type Monte Carlo, ainsi qu’inspirées des algorithmes génétiques. Les perspectives d’application concernent les semi-conducteurs, les plasmas ioniques ou encore les systèmes colloïdaux

SLAB

Différentes structures pouvant émerger lorsque les particules sont maintenanues entre deux plaques chargées. Au centre, le diagramme de phase dans le plan (η; A) où η mesure la largeur de la dalle et A est l’asymétrie de charge bicouche. 

Référence : Rich Polymorphic Behavior of Wigner Bilayers, M. Antlanger, G. Kahl, M. Mazars, L. Šamaj, and E. Trizac, Phys Rev Lett 117, 118002 (2016).

Résultats obtenus dans le cadre du projet « Structures ordonnées dans les systèmes confinés » (SLAB) financé par le thème 2 du LabEx PALM et porté par Martial Mazard et Emmanuel Trizac.

LPT                                       LPTMS