La charge d'un seul électron, e, est définie comme l'unité de base de la charge électrique. Parce que les électrons - les particules subatomiques qui transportent l'électricité - sont des particules élémentaires et ne peuvent pas être divisés, des fractions de charge électronique ne sont normalement pas rencontrées. Malgré cela, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont récemment observé la signature de charges fractionnaires allant de e/4 à 2e/3 dans des matériaux exotiques appelés isolants cristallins topologiques.

L'équipe de chercheurs, dirigé par le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie Gaurav Bahl et le professeur de physique Taylor Hughes, utilise des circuits électriques à ultra haute fréquence pour étudier les isolants topologiques depuis 2017. Leur récente mesure de charge fractionnaire, paru dans le numéro actuel de la revue Science , découle des travaux théoriques de l'équipe sur les isolants cristallins.

Hughes explique, "Il peut sembler étrange que des charges fractionnaires puissent même exister, étant donné que les électrons sont indivisibles. Mais quand on regarde la charge totale d'un matériau, nous considérons les contributions de nombreux électrons. Selon la disposition des charges électroniques dans l'espace, ils peuvent coopérer pour laisser derrière eux une fraction de charge localisée et fortement quantifiée."

L'exemple le plus simple d'un matériau pouvant héberger des charges fractionnaires est une chaîne d'atomes unidimensionnelle avec une symétrie de réflexion au milieu. Si le nombre d'ions positifs dans la chaîne est égal au nombre d'électrons, tout semble neutre en termes de charge. Cependant, si les nombres ne sont pas égaux, disons par exemple s'il manque un électron, la charge négative manquante est forcée de se diviser également entre les deux côtés symétriques de la chaîne, laissant une charge e/2 fractionnaire de chaque côté. « Dans les matériaux à symétrie de rotation que nous étudions, les charges fractionnaires peuvent exister en unités de 1/3, 1/4, voire 1/6, selon la symétrie sous-jacente, " dit Hugues.

Pour rechercher expérimentalement la signature de ces charges fractionnaires, l'équipe a construit des circuits spécialement conçus en résonateurs micro-ondes, qui sont des appareils qui n'absorbent le rayonnement électromagnétique qu'à une fréquence spécifique (environ la même fréquence qu'un four à micro-ondes). Ces résonateurs centimétriques agissent comme les atomes d'un matériau réel, permettant la construction et l'essai d'un large éventail de possibilités matérielles.

"Malheureusement, il n'est actuellement pas possible de construire un matériau atome par atome, et il est souvent difficile de trouver des matériaux naturels possédant les propriétés que nous recherchons. Au lieu, nous avons construit des analogues de circuit des cristaux qui devaient héberger des charges fractionnaires. En utilisant cette approche, nous pouvons mesurer comment ces circuits absorbent le rayonnement et l'utiliser pour calculer comment les électrons se comporteraient dans un cristal à l'état solide analogue, " a partagé l'étudiant diplômé en génie électrique et auteur principal Christopher Peterson.

Des études théoriques antérieures avaient suggéré que la mesure des charges fractionnaires est la clé pour identifier une nouvelle classe de matériaux appelés isolants topologiques d'ordre supérieur, mais il n'y avait aucun moyen de tester cela expérimentalement. Après avoir établi une nouvelle méthode pour mesurer ces charges fractionnaires, les chercheurs ont également pu développer et démontrer une nouvelle métrique pour identifier la topologie d'ordre élevé.

Les isolants topologiques sont récemment devenus célèbres pour les canaux conducteurs robustes à leurs frontières, qui restent en parfait état même lorsque le matériau présente des défauts. Cette robustesse est très séduisante puisqu'elle pourrait être utilisée pour rendre les appareils électroniques et optiques plus performants, en protégeant la transmission de l'électricité ou des ondes électromagnétiques, malgré des erreurs de fabrication ou des dommages. Les isolants topologiques d'ordre supérieur nouvellement découverts ajoutent à cette histoire en hébergeant des canaux conducteurs protégés aux intersections des frontières, par exemple. aux coins au lieu des bords, ce qui peut considérablement élargir les possibilités de technologies robustes.

"La nouvelle méthode d'identification que nous avons démontrée pourrait permettre aux scientifiques d'identifier sans ambiguïté des isolants topologiques de n'importe quel ordre, en utilisant leur signature de charge fractionnaire. Finalement, cela apporte la promesse de dispositifs plus efficaces et robustes basés sur des matériaux topologiques toujours plus proches de la réalité, " a déclaré le chef d'équipe Gaurav Bahl.