A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Depuis des siècles, les scientifiques savent que le monde solide est construit à partir d'atomes, de minuscules particules qui se lient pour former des cristaux avec des motifs répétitifs. Dans ces motifs, les atomes sont si petits et se déplacent si rapidement que regarder la formation d'un cristal revient à essayer de regarder une seule goutte de pluie tomber dans une tempête ; le processus se déroule trop vite pour être vu. Pour comprendre comment les cristaux croissent, les chercheurs ont longtemps imaginé utiliser des blocs de construction plus grands qui agiraient comme des atomes, mais qui se déplaceraient assez lentement pour être observés. Ils appellent ces blocs plus grands des « superatomes ». Il ne s'agit pas d'atomes uniques, mais de grappes précises de nombreux atomes qui s'agglutinent si étroitement qu'ils se comportent comme une unité unique plus grande, dotée de sa propre personnalité électronique. Le défi consistait à faire en sorte que ces superatomes adhèrent entre eux suffisamment pour former un véritable cristal, plutôt que de simplement flotter librement ou de se désagréger.

Une équipe de chercheurs a maintenant réussi à créer un cristal bidimensionnel plat, entièrement composé de ces superatomes, et pour la première fois, ils ont observé les blocs de construction se déplacer, se lier et se réparer en temps réel. Les scientifiques ont travaillé avec des grappes composées de palladium et de sélénium, plus précisément des groupes contenant six atomes de palladium entourés de vingt ou vingt et un atomes de sélénium. Ces grappes sont massives par rapport aux atomes simples, pesant plus de deux mille fois plus qu'un atome d'hydrogène. Comme elles sont si lourdes, elles se déplacent beaucoup plus lentement que les atomes ordinaires, ce qui permet aux chercheurs de filmer leur assemblage à l'aide d'un puissant microscope électronique. L'équipe a découvert que ces grappes ne font pas que se tenir les unes à côté des autres ; elles se lient avec une force similaire aux liaisons chimiques qui maintiennent les atomes ensemble dans les métaux, formant un réseau stable et répétitif.

Les chercheurs ont commencé par créer un film mince de matériau amorphe, ou désordonné, contenant le bon mélange de palladium et de sélénium. Pour empêcher le matériau de perdre ses atomes de sélénium pendant le processus de chauffage, ils ont pris en sandwich le film entre deux couches de graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Ils ont ensuite utilisé un laser de faible puissance pour chauffer doucement un petit point de ce sandwich, provoquant la cristallisation du matériau désordonné en la structure superatomique. Lorsqu'ils ont observé le résultat avec un microscope à haute résolution, ils ont vu une grille parfaite de points brillants. Chaque point représentait un seul groupe de superatomes. En analysant la luminosité et l'arrangement de ces points, l'équipe a confirmé que les grappes étaient disposées selon un motif spécifique et répétitif, semblable aux carreaux d'un sol, mais avec un espacement d'environ 8,64 angströms entre chaque unité.

À l'intérieur de ce cristal, les superatomes ne sont pas tous identiques. Les chercheurs ont découvert deux principaux types de grappes : une avec un centre creux et une autre avec un atome de sélénium remplissant ce centre. Malgré ces différences internes, elles se lient fortement. La distance entre les bords de grappes voisines est d'environ 3,50 angströms, un écart trop petit pour qu'elles soient maintenues par des forces passives faibles, mais trop grand pour une liaison atomique standard. Les calculs suggèrent que les grappes sont maintenues par un mélange de liaisons chimiques et de forces plus faibles, créant une énergie de liaison suffisamment forte pour maintenir le cristal intact. Cette liaison confère au matériau des propriétés métalliques, ce qui signifie qu'il peut conduire l'électricité, une différence significative avec la version massive de ce matériau qui agit comme un semi-conducteur.

Ce qui rend cette découverte véritablement unique, c'est la capacité d'observer la croissance et la guérison du cristal. Parce que les superatomes sont si massifs, leur mouvement est assez lent pour être capturé en vidéo. Les chercheurs ont observé des grappes individuelles se détacher d'un groupe et errer à la surface avant de se réattacher. Ils ont également observé de petits groupes de grappes s'approcher d'un cristal plus large, pivoter pour s'aligner avec lui, puis s'emboîter brusquement, faisant ainsi croître le cristal bloc par bloc. Ce processus, qui se produit en fractions de seconde pour les atomes normaux, prend plusieurs secondes dans ce système, permettant aux scientifiques de voir les étapes exactes de la nucléation et de la croissance.

L'équipe a également observé que les cristaux superatomiques souffrent des mêmes défauts que les cristaux ordinaires. Ils ont trouvé des emplacements vides où une grappe manquait, des lignes où le motif était décalé, et des limites où deux régions cristallines différentes se rencontraient. Lorsque les chercheurs ont exposé le matériau au faisceau d'électrons pendant une période prolongée, ils ont observé ces limites guérir. Deux grains cristallins distincts ont pivoté et fusionné pour former un seul grain plus grand, ne laissant derrière eux que des traces ténues de la limite originale. Cette capacité d'observer la naissance, la croissance et la réparation d'un cristal au niveau de ses blocs de construction fondamentaux offre une fenêtre rare sur la physique de la formation de la matière solide. En ralentissant le processus à une échelle visible par l'homme, les chercheurs ont créé un système modèle qui pourrait aider les scientifiques à comprendre les règles fondamentales de la cristallisation, non seulement pour ces grappes spécifiques, mais aussi pour les cristaux atomiques qui constituent le monde qui nous entoure.