Le contrôle de la façon dont les électrons traversent un matériau est d'une importance capitale pour construire de nouveaux appareils électroniques. Comment le mouvement électronique est affecté par les champs magnétiques est un vieux problème qui n'a pas été entièrement résolu, a déjà conduit à plusieurs prix Nobel de physique. Maintenant, des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont résolu l'un des problèmes de longue date dans le domaine, à savoir, comment une certaine symétrie peut être restaurée. Leurs résultats viennent d'être publiés dans Lettres d'examen physique .

Les électrons se déplaçant dans un champ magnétique puissant effectuent un mouvement circulaire dû à la force de Lorentz sur laquelle reposent l'induction électromagnétique et le moteur électrique. Dans la plaine quantique des matériaux bidimensionnels atomiquement minces, cela conduit à des effets quantiques étranges comme l'entier et les effets Hall quantifiés fractionnaires, qui stipulent que le nombre de charges déviées par Lorentz n'est pas arbitraire mais augmente par étapes discrètes (quantifiées).

Malgré de nombreux progrès dans le domaine, la description fondamentale du comportement des électrons dans les champs magnétiques est restée quelque peu incomplète. "Il y a un problème profond ici. Disons que j'ai une bobine magnétique géante et que je génère un champ qui est le même partout dans l'espace. Les électrons de ma feuille quantique devraient ressentir la même force partout, " dit Vasil Rokaj, doctorat étudiant au département de théorie MPSD et auteur principal de l'étude. « Mais les manuels classiques traitant du champ magnétique ne tiennent généralement pas compte de cette exigence physique, " il ajoute.

Avec une équipe de chercheurs dirigée par Angel Rubio, directeur de MPSD Theory et les chefs de groupe Michael Ruggenthaler et Michael Sentef, Rokaj et son co-auteur Markus Penz ont entrepris de dériver de nouvelles équations qui résoudraient cette lacune. "On ne savait pas au départ à quoi s'attendre, " ajoute Ruggenthaler. " En fait, nous étions intéressés par un problème différent, à savoir, comment un champ quantifié plutôt que classique dans une soi-disant cavité affecte le mouvement électronique."

Pour y parvenir, Rokaj a dû utiliser le formalisme de l'électrodynamique quantique, qui a été développé pour la première fois dans les années 1930 et 1940 pour décrire comment les électrons et les photons interagissent. Quand Rokaj a écrit les équations des électrons dans le solide, l'équipe s'est rendu compte qu'il s'était passé quelque chose d'intéressant. "Le champ magnétique dans une bobine est composé de photons, donc en principe, nous devrions également être en mesure de décrire l'ancien problème avec notre nouvelle approche, " dit Ruggenthaler. " Étonnamment, l'incertitude quantique (ou fluctuations) du champ, qui n'est généralement pas pris en compte, aide à restaurer la symétrie fondamentale - que tout devrait être le même, peu importe où nous regardons dans l'espace."

Angel Rubio ajoute, "Ces efforts prouvent que nous sommes sur la bonne voie en abordant le problème d'une manière entièrement quantique." Dans son département de théorie, de nombreux chercheurs travaillent sur le problème à grande échelle de la façon dont les photons modifient les propriétés de la matière, des nouvelles réactions chimiques aux matériaux qui pourraient aider à construire de futurs ordinateurs quantiques. "Ce travail prouve qu'il vaut toujours la peine de porter un regard neuf sur de vieux problèmes, et de partir des principes de base, " dit Rubio. "Je suis sûr que d'autres surprises n'attendent que d'être découvertes."