Schéma des voies conductrices attendues où les électrons peuvent circuler aux frontières entre les régions avec des orientations opposées des orbites des électrons. Crédit :le groupe de recherche Ali Yazdani de l'université de Princeton.
Des chercheurs de Princeton ont démontré une nouvelle façon de fabriquer des "fils quantiques" contrôlables en présence d'un champ magnétique, selon une nouvelle étude publiée dans La nature .
Les chercheurs ont détecté des canaux d'électrons conducteurs qui se forment entre deux états quantiques à la surface d'un cristal de bismuth soumis à un champ magnétique élevé. Ces deux états sont constitués d'électrons se déplaçant sur des orbites elliptiques avec des orientations différentes.
A la surprise de l'équipe, ils ont découvert que le flux de courant dans ces canaux peut être activé et désactivé, faisant de ces canaux un nouveau type de fil quantique contrôlable.
"Ces canaux sont remarquables car ils se forment spontanément aux frontières entre différents états quantiques dans lesquels les électrons alignent collectivement leurs orbites elliptiques, " a déclaré Ali Yazdani, la classe de 1909 professeur de physique et directeur du Princeton Center for Complex Materials, qui a dirigé la recherche. "Il est passionnant de voir comment l'interaction entre les électrons dans les canaux dicte fortement s'ils peuvent ou non conduire."
Les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel, un appareil capable d'imager des atomes individuels et de cartographier le mouvement des électrons à la surface d'un matériau, pour visualiser le comportement des électrons à la surface d'un cristal fait de bismuth pur.
Image au microscope à effet tunnel montrant une frontière entre des régions avec différentes orientations d'orbite électronique. Crédit :le groupe de recherche Ali Yazdani de l'université de Princeton
Avec cet instrument, l'équipe a directement imagé les mouvements des électrons en présence d'un champ magnétique des milliers de fois plus grand que celui d'un aimant de réfrigérateur. L'application du grand champ magnétique force les électrons à se déplacer sur des orbites elliptiques, au lieu du flux plus typique d'électrons parallèle à la direction d'un champ électrique.
L'équipe a constaté que les canaux conducteurs se forment à la frontière, qu'ils appellent une paroi de domaine polarisée en vallée, entre deux régions du cristal où les orbites des électrons changent brusquement d'orientation.
Mallika Randeria, un étudiant diplômé du Département de physique, qui a réalisé les expériences, a déclaré:"Nous constatons qu'il existe des canaux à deux et quatre voies dans lesquels les électrons peuvent circuler, en fonction de la valeur précise du champ magnétique." Elle et ses collègues ont observé que lorsque les électrons sont réglés pour se déplacer dans un canal à quatre voies, ils se coincent, mais ils peuvent circuler sans entrave lorsqu'ils sont confinés à un seul canal à deux voies.
En essayant de comprendre ce comportement, les chercheurs ont découvert de nouvelles règles par lesquelles les lois de la mécanique quantique dictent la répulsion entre les électrons dans ces fils quantiques multicanaux. Alors que le plus grand nombre de voies semble suggérer une meilleure conductivité, la répulsion entre les électrons les amène de manière contre-intuitive à changer de voie, changer de direction, et reste coincé, résultant en un comportement isolant. Avec moins de chaînes, les électrons n'ont pas la possibilité de changer de voie et doivent transmettre un courant électrique même s'ils doivent se « traverser » les uns les autres, un phénomène quantique uniquement possible dans de tels canaux unidimensionnels.
Une conduction protégée similaire se produit le long des limites des états dits topologiques de la matière, qui ont fait l'objet du prix Nobel 2016 décerné à F. Duncan Haldane de Princeton, le professeur de physique de l'Université Sherman Fairchild. L'explication théorique de la nouvelle découverte s'appuie sur des travaux antérieurs effectués par deux membres de l'équipe, Siddharth Parameswaran, qui était alors étudiant diplômé à Princeton et est maintenant professeur agrégé de physique à l'Université d'Oxford, et Shivaji Sondhi de Princeton, professeur de physique, et collaborateurs.
"Bien que certaines des idées théoriques que nous avons utilisées existent depuis un certain temps, c'est toujours un défi de voir comment ils s'articulent pour expliquer une expérience réelle, et un vrai frisson quand cela arrive, " a déclaré Parameswaran. " C'est un exemple parfait de la façon dont l'expérience et la théorie fonctionnent en tandem :sans les nouvelles données expérimentales, nous n'aurions jamais revisité notre théorie, et sans la nouvelle théorie, il aurait été difficile de comprendre les expériences."
