Une illustration de l'effet Hall quantique en 3D. Sous des effets d'interaction améliorés, les électrons forment une onde de densité de charge spéciale le long du champ magnétique appliqué. L'intérieur devient isolant, tandis que la conduction se fait à travers la surface du matériau. Crédit :Wang Guoyan &He Cong
L'effet Hall quantique (QHE), qui était auparavant connu pour les systèmes bidimensionnels (2-D), a été prédit pour être possible pour les systèmes tridimensionnels (3-D) par Bertrand Halperin en 1987, mais la théorie n'a été prouvée que récemment par des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) et leurs collaborateurs de recherche du monde entier.
L'effet Hall, une technique fondamentale pour la caractérisation des matériaux, se produit lorsqu'un champ magnétique dévie le flux d'électrons latéralement et entraîne une chute de tension dans la direction transversale. En 1980, les chercheurs ont fait une observation surprenante lors de la mesure de l'effet Hall pour un gaz d'électrons bidimensionnel (2-D) piégé dans une structure semi-conductrice - la résistivité Hall mesurée a montré une série de plateaux complètement plats, quantifié à des valeurs avec une précision remarquable d'une partie sur 10 milliards. Cela est devenu connu sous le nom de QHE.
QHE a depuis révolutionné la compréhension fondamentale de la physique de la matière condensée, générant un vaste domaine de recherche en physique. De nombreux nouveaux sujets émergents, tels que les matériaux topologiques, peut également y être retracée.
Peu de temps après sa découverte, les chercheurs ont étudié la possibilité de généraliser la QHE des systèmes 2-D à trois dimensions (3-D). Bertrand Halperin a prédit qu'un tel effet généralisé, appelé QHE 3-D, est en effet possible dans un article fondateur publié en 1987. De l'analyse théorique, il a donné des signatures pour le QHE 3-D et a souligné que des interactions améliorées entre les électrons sous un champ magnétique peuvent être la clé pour conduire un matériau métallique dans l'état QHE 3-D.
30 ans se sont écoulés depuis la prédiction de Halperin, et bien qu'il y ait eu des efforts continus pour réaliser QHE 3-D dans l'expérience, des preuves claires ont été insaisissables en raison des conditions strictes requises pour le QHE 3-D - le matériau doit être très pur, avoir une grande mobilité, et une faible densité de porteurs.
Collaborateur expérimental de SUTD, l'Université des sciences et technologies du Sud (SUSTech) en Chine, a travaillé sur un matériau unique connu sous le nom de ZrTe
Dans le document de recherche publié dans La nature , les chercheurs montrent que lorsque le matériau est refroidi à très basse température sous un champ magnétique modéré, sa résistivité longitudinale tombe à zéro, indiquant que le matériau se transforme d'un métal en un isolant. Cela est dû aux interactions électroniques où les électrons se redistribuent et forment une onde de densité périodique le long de la direction du champ magnétique (comme illustré sur l'image) appelée onde de densité de charge.
"Ce changement gèlerait généralement le mouvement des électrons et le matériau devient isolant, empêchant l'électron de circuler à l'intérieur du matériau. Cependant, en utilisant ce matériau unique, les électrons peuvent se déplacer à travers les surfaces, donnant une résistivité de Hall quantifiée par la longueur d'onde de l'onde de densité de charge, " a expliqué le co-auteur, le professeur Zhang Liyuan de SUSTech. Cela prouve à son tour la première démonstration du long QHE 3-D spéculatif, poussant le célèbre QHE de 2-D à 3-D.
"Nous pouvons nous attendre à ce que la découverte du QHE 3-D conduira à de nouvelles percées dans nos connaissances en physique et fournira une corne d'abondance de nouveaux effets physiques. Cette nouvelle connaissance, d'une manière ou d'une autre, nous offrira également de nouvelles opportunités de développement technologique pratique, " a déclaré le co-auteur, Professeur adjoint Yang Shengyuan de SUTD.
