Un nouveau type de quasiparticule est découvert dans une structure à double couche de graphène. Ce fermion dit composite est constitué d'un électron et de deux types de flux magnétiques différents, illustrées par des flèches bleues et dorées sur la figure. Les fermions composites sont capables de former des paires, une telle interaction unique a conduit à la découverte expérimentale de nouveaux phénomènes de Hall quantique inattendus. Crédit :Michelle Miller et Jia Li/Brown University
Des chercheurs des universités Brown et Columbia ont démontré des états de matière jusqu'alors inconnus qui apparaissent dans des empilements à double couche de graphène, un nanomatériau bidimensionnel. Ces nouveaux états, connu sous le nom d'effet Hall quantique fractionnaire, résultent des interactions complexes des électrons à la fois à l'intérieur et à travers les couches de graphène.
"Les résultats montrent que l'empilement de matériaux 2D à proximité immédiate génère une physique entièrement nouvelle, " dit Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown, qui a initié ce travail alors qu'il était post-doc à Columbia avec Cory Dean, professeur de physique, et Jim Hone, professeur de génie mécanique. « En matière d'ingénierie des matériaux, ce travail montre que ces systèmes en couches pourraient être viables pour créer de nouveaux types de dispositifs électroniques qui tirent parti de ces nouveaux états de Hall quantique. »
La recherche est publiée dans la revue Physique de la nature .
Surtout, dit Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, plusieurs de ces nouveaux états de Hall quantique « peuvent être utiles pour fabriquer des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes ».
L'effet Hall apparaît lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un matériau conducteur dans une direction perpendiculaire à un flux de courant. Le champ magnétique fait dévier le courant, créer une tension dans le sens transversal, appelée tension de Hall. La force de la tension de Hall augmente avec la force du champ magnétique. La version quantique de l'effet Hall a été découverte pour la première fois lors d'expériences réalisées en 1980 à basse température et de forts champs magnétiques. Les expériences ont montré qu'au lieu d'augmenter progressivement avec l'intensité du champ magnétique, la tension de Hall augmente par étapes (ou quantifiées). Ces étapes sont des multiples entiers des constantes fondamentales de la nature et sont entièrement indépendantes de la composition physique du matériau utilisé dans les expériences. La découverte a reçu le prix Nobel de physique 1985.
Quelques années plus tard, des chercheurs travaillant à des températures proches du zéro absolu et avec des champs magnétiques très puissants ont découvert de nouveaux types d'états de Hall quantiques dans lesquels les étapes quantiques de la tension de Hall correspondent à des nombres fractionnaires, d'où le nom d'effet Hall quantique fractionnaire. La découverte de l'effet Hall quantique fractionnaire a remporté un autre prix Nobel, en 1998. Les théoriciens ont postulé plus tard que l'effet Hall quantique fractionnaire est lié à la formation de quasi-particules appelées fermions composites. Dans cet état, chaque électron se combine avec un quantum de flux magnétique pour former un fermion composite portant une fraction d'une charge électronique donnant lieu aux valeurs fractionnaires de la tension de Hall.
La théorie des fermions composites a réussi à expliquer une myriade de phénomènes observés dans des systèmes de puits quantiques uniques. Cette nouvelle recherche a utilisé du graphène à double couche pour étudier ce qui se passe lorsque deux puits quantiques sont rapprochés. La théorie avait suggéré que l'interaction entre deux couches conduirait à un nouveau type de fermion composite, mais cela n'avait jamais été observé dans l'expérience.
Pour les expériences, l'équipe s'est appuyée sur de nombreuses années de travail chez Columbia pour améliorer la qualité des appareils au graphène, créer des appareils ultra-propres entièrement à partir de matériaux 2D atomiquement plats. Le noyau de la structure est constitué de deux couches de graphène séparées par une fine couche de nitrure de bore hexagonal servant de barrière isolante. La structure à double couche est encapsulée par du nitrure de bore hexagonal comme isolant protecteur, et du graphite comme grille conductrice pour modifier la densité de porteurs de charge dans le canal.
"Une fois de plus, l'incroyable polyvalence du graphène nous a permis de repousser les limites des structures d'appareils au-delà de ce qui était auparavant possible." dit Dean, professeur de physique à l'université de Columbia. "La précision et l'accordabilité avec lesquelles nous pouvons fabriquer ces appareils nous permettent désormais d'explorer tout un domaine de la physique que l'on pensait tout récemment comme totalement inaccessible."
Les structures de graphène ont ensuite été exposées à de puissants champs magnétiques, des millions de fois plus forts que le champ magnétique terrestre. La recherche a produit une gamme d'états Hall quantiques fractionnaires, dont certains démontrent un excellent accord avec le modèle de fermions composites, et certains qui n'avaient jamais été prédits ou vus.
"En dehors des fermions composites intercalaires, nous avons observé d'autres caractéristiques qui ne peuvent pas être expliquées dans le modèle composite de fermions, " dit Qianhui Shi, le co-premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral à Columbia. « Une étude plus approfondie a révélé que, à notre surprise, ces nouveaux états résultent de l'appariement entre fermions composites. L'interaction d'appariement entre couches adjacentes et au sein d'une même couche donne lieu à une variété de nouveaux phénomènes quantiques, faisant du graphène double couche une plate-forme passionnante à étudier. »
"D'un intérêt particulier, " dit Hone, "il existe plusieurs nouveaux états qui ont le potentiel d'héberger des fonctions d'onde non abéliennes, des états qui ne correspondent pas tout à fait au modèle de fermion composite traditionnel." Dans les États non abéliens, les électrons conservent une sorte de « mémoire » de leurs positions passées les uns par rapport aux autres. Cela a le potentiel de permettre aux ordinateurs quantiques qui ne nécessitent pas de correction d'erreur, qui est actuellement une pierre d'achoppement majeure dans le domaine.
« Ce sont les premiers nouveaux candidats aux États non abéliens depuis 30 ans, " a déclaré Dean. " C'est vraiment excitant de voir une nouvelle physique émerger de nos expériences. "
L'étude s'intitule « Appariement d'états de fermions composites dans du graphène à double couche ».
