Le comportement quantique des électrons dans les matériaux bidimensionnels est en train d’être redéfini. Une équipe de recherche de la Florida State University (FSU) a, pour la première fois, réussi à stabiliser la construction d’un cristal de Wigner généralisé dans un système à franges de Moiré en ajustant précisément des paramètres quantiques. Dans cette phase de matière particulière, les électrons peuvent former à la fois des réseaux solides en bandes ou en nid d’abeilles et « fondre » partiellement en une couche liquide conductrice, présentant ainsi une coexistence remarquable de conductivité et d’isolation. Cette propriété ouvre de nouvelles voies pour l’informatique quantique et la spintronique.

L’équipe a utilisé des techniques numériques telles que la diagonalisation exacte et le groupe de renormalisation de la matrice densité, combinées aux ressources informatiques du National High Magnetic Field Laboratory, pour déterminer avec précision les conditions critiques des transitions de phase électronique dans les systèmes 2D. Contrairement aux cristaux de Wigner traditionnels qui ne présentent qu’un réseau triangulaire, la version généralisée peut, grâce à la modulation par franges de Moiré, adopter des morphologies de réseau très variées. « Nous avons identifié les combinaisons de paramètres quantiques qui déclenchent les transitions de phase », explique Hitesh J. Changlani, co-auteur de l’article. « À certaines densités électroniques, ce cristal se stratifie spontanément : une partie des électrons reste immobile et forme une couche isolante, tandis que l’autre partie se délocalise et crée un canal conducteur. »

Cet état particulier, baptisé « phase billard », voit les électrons se comporter comme des billes dans une machine à flipper : des piliers d’électrons fixes coexistent en équilibre dynamique avec des billes mobiles. Grâce à des calculs en réseau de tenseurs, l’équipe a découvert que cet état résulte d’un équilibre subtil entre fluctuations quantiques et interactions coulombiennes inter-électroniques. « Nous avons démontré pour la première fois, dans une gamme accessible expérimentalement, l’existence de cet effet quantique », souligne le professeur assistant Cyprian Lewandowski. « Cela offre une nouvelle dimension pour contrôler les phases de la matière : au-delà des paramètres traditionnels que sont la température et la pression, le spin quantique, l’hybridation orbitale, etc., deviennent des boutons de réglage. »