Si le régime de Hall quantique fractionnaire était une série d’autoroutes, ces autoroutes auraient deux ou quatre voies. Le flux des fermions composites à deux ou quatre flux, comme celui des automobiles dans ce scénario de trafic de fermions composites à deux ou quatre flux, explique naturellement les plus de 90 états de Hall quantiques fractionnaires qui se forment dans une grande variété de matériaux hôtes. Cependant, des physiciens de l'Université Purdue ont récemment découvert que les régimes de Hall quantiques fractionnaires ne se limitent pas à deux ou quatre flux et ont découvert l'existence d'un nouveau type de particule émergente, qu'ils appellent fermion composite à six flux. /P>

Ils ont récemment publié leurs découvertes révolutionnaires dans Nature Communications. .

Gabor Csathy, professeur et chef du département de physique et d'astronomie du Purdue University College of Science, ainsi que titulaire d'un doctorat. étudiants Haoyun Huang, Waseem Hussain et récent doctorat. Sean Myers, diplômé, a dirigé cette découverte depuis le campus West Lafayette de Purdue. Csathy attribue à l'auteur principal Huang le mérite d'avoir conçu et dirigé les mesures et d'avoir rédigé une grande partie du manuscrit. Toutes les mesures à très basse température ont été réalisées dans le laboratoire du bâtiment de physique de Csathy. Son laboratoire mène des recherches sur la physique électronique fortement corrélée, parfois appelée physique électronique topologique.

Les interactions faibles des électrons sont bien établies et leur comportement est tout à fait prévisible. Lorsque les électrons interagissent faiblement, l’électron est généralement considéré comme la pierre angulaire naturelle de l’ensemble du système. Mais lorsque les électrons interagissent fortement, interpréter le comportement systémique en pensant aux électrons individuels devient presque impossible.

"Cela se produit dans très peu de cas, comme dans le régime de Hall quantique fractionnaire que nous étudions, par exemple", explique Csathy. "Pour expliquer les états Hall quantiques fractionnaires, le fermion composite, un élément fondamental très intuitif, se décline en différentes saveurs. Ils peuvent représenter tout un sous-ensemble des états Hall quantiques fractionnaires. Mais tous les états pleinement développés (c'est-à-dire topologiquement protégés) , les états Hall quantiques fractionnaires pourraient être expliqués par seulement deux types de fermions composites :les fermions composites à deux flux et à quatre flux.

"Nous avons signalé ici un nouvel état de Hall quantique fractionnaire qui ne peut être expliqué par aucune de ces idées précédentes. Au lieu de cela, nous devons invoquer l'existence d'un nouveau type de particule émergente, les fermions composites à six flux. La découverte de Les nouveaux états de Hall quantiques fractionnaires sont assez rares. Cependant, la découverte d'une nouvelle particule émergente dans la physique de la matière condensée est vraiment rare et étonnante. "

Pour l’instant, ces idées seront utilisées pour élargir notre compréhension de l’ordre des états Hall quantiques fractionnaires connus dans un « tableau périodique ». Il est particulièrement remarquable dans ce processus que la particule de fermion composite émergente est unique dans la mesure où l'électron capture six quanta de flux magnétique quantifiés, formant le fermion composite le plus complexe connu à ce jour.

"La numérologie de ce casse-tête physique complexe nécessite une certaine patience", explique Haoyun Huang, titulaire d'un doctorat de Csathy. étudiant. "Prenons l'exemple de l'état fractionnaire nu=2/3. Puisque 2/3=2/(2*2 -1), l'état nu=2/3 appartient à la famille des deux flux. De même, pour l'état fractionnaire nu=2/7, 2/7=2/(2*4 -1), cet état appartient donc à la famille des quatre flux. En revanche, les états fractionnaires que nous avons découverts sont étroitement liés à 2/11=2/(2*6 -1). Avant nos travaux, aucun état de Hall quantique fractionnaire entièrement quantifié n'avait été observé pouvant être associé à des fermions composites à six flux. La situation était complètement différente sur le plan théorique :l'existence de ces types de fermions composites a été prédite par Jainendra Jain dans sa théorie très influente des fermions composites publiée en 1989. La quantification associée n'a pas été observée au cours de ces 34 années. "

Le matériel utilisé dans cette étude a été cultivé par une équipe de l’Université de Princeton dirigée par Loren Pfeiffer. La qualité électrique du semi-conducteur GaAs a joué un rôle majeur dans le succès de cette recherche. Selon Csathy, ce groupe de Princeton est leader mondial dans la production de matériaux à base de GaAs de la plus haute qualité.

"Le GaAs qu'ils cultivent est très spécial, car le nombre d'imperfections est étonnamment faible", dit-il. "La combinaison d'un faible désordre et de l'expertise en matière de mesure des très basses températures du laboratoire Csathy a rendu ce projet possible. L'une des raisons pour lesquelles nous mesurions ces échantillons est que très récemment, le groupe de Princeton a considérablement amélioré la qualité du semi-conducteur GaAs, telle que mesurée. par les infimes quantités de défauts présents. Ces échantillons améliorés continueront, à coup sûr, à constituer un terrain de jeu pour la nouvelle physique. "

Cette découverte passionnante fait partie des recherches en cours menées par l'équipe de Csathy. L'équipe continue de repousser les limites de la découverte dans sa quête persistante de la physique électronique topologique.

Plus d'informations : Haoyun Huang et al, Preuves d'une protection topologique dérivée de fermions composites à six flux, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-45860-5

Fourni par l'Université Purdue