Des chercheurs de Columbia ont observé l'effet Hall quantique fractionnaire dans le graphène bicouche et ont montré que cet état exotique de la matière peut être réglé par un champ électrique.

L'effet Hall quantique fractionnaire, qui peut se produire lorsque des électrons confinés dans des feuilles minces sont exposés à de grands champs magnétiques, est un exemple frappant de comportement collectif où des milliers d'électrons individuels se comportent comme un seul système. Cependant, alors que la théorie de base décrivant cet effet est bien établie, de nombreux détails de ce comportement collectif restent mal compris, en partie parce qu'il n'est observable que dans les systèmes avec un désordre extrêmement faible.

Graphène, une feuille de carbone atomiquement mince, est un matériau prometteur pour l'étude de l'effet Hall quantique fractionnaire à la fois parce qu'il peut s'agir d'un cristal presque sans défaut, et parce que les chercheurs peuvent « régler » la densité de charge avec une électrode de « grille » métallique externe et observer comment les états quantiques évoluent en réponse. Au cours des dernières années, un effort de collaboration à l'Université de Columbia couvrant des chercheurs du génie mécanique, Génie électrique et physique, développé une série de techniques de fabrication révolutionnaires afin de profiter de cette opportunité, leur permettant de rapporter la première observation de l'effet Hall quantique fractionnaire dans le graphène en 2009, et le premier réglage à large plage de l'effet en 2011.

Un système encore plus intéressant pour l'étude de l'effet Hall quantique fractionnaire est le graphène bicouche, qui se compose de deux feuilles de graphène empilées. Dans ce matériau, l'utilisation de deux électrodes de grille métalliques (en haut et en bas) permet un réglage indépendant de la densité de charge dans chaque couche, qui fournit une toute nouvelle façon de manipuler les états fractionnaires de Hall quantique. En particulier, la théorie prédit qu'il devrait être possible de créer des états exotiques « non-abéliens » qui pourraient être utilisés pour le calcul quantique.

Alors que l'observation de l'effet Hall quantique fractionnaire dans le graphène monocouche nécessitait simplement de fabriquer des dispositifs plus propres, observer cet effet dans le graphène bicouche s'est avéré plus difficile. "Nous savions que nous pouvions fabriquer des structures de graphène bicouche très propres, mais nous avons souffert de notre incapacité à établir un bon contact électrique car le graphène bicouche développe une "bande interdite" électronique sous les champs magnétiques élevés et les basses températures requises pour nos expériences, " dit Cory Dean, professeur de physique qui a récemment déménagé à l'Université de Columbia, et auteur principal de l'article. Une percée critique a été la re-conception des dispositifs afin que la densité de charge dans les régions de contact puisse être réglée indépendamment du reste de l'appareil, ce qui leur a permis de maintenir un bon contact électrique même sous de grands champs magnétiques. "Une fois que nous avons eu cette nouvelle structure de dispositif, les résultats ont été spectaculaires."

Reportage le 4 juillet édition 2014 de Science , l'équipe démontre l'existence de l'effet Hall quantique fractionnaire dans le graphène bicouche et met en évidence une transition de phase contrôlable par application de champs électriques. L'une des questions clés pour comprendre l'effet Hall quantique fractionnaire dans tout système est d'identifier l'ordre associé à l'état fondamental. Par exemple, tous les électrons associés au sein de l'état collectif portent-ils le même spin ? Dans le graphène bicouche, cette question est plus complexe car plusieurs degrés de symétrie sont en jeu à la fois. En plus de tourner, les électrons peuvent se polariser en résidant spontanément entièrement sur une couche par rapport à l'autre. Cette complexité fournit un nouvel espace de phase intéressant à explorer pour des effets nouveaux et inhabituels. En particulier, plusieurs théories ont prédit que l'application de champs électriques au graphène bicouche pourrait permettre des transitions entre ces ordres d'état fondamental. "Il s'agit d'un nouveau bouton expérimental qui n'est tout simplement pas disponible dans d'autres systèmes, " dit James Hone, professeur de génie mécanique et co-auteur de l'article. L'équipe a confirmé pour la première fois que la variation du champ électrique appliqué provoque une transition de phase, mais la nature exacte de ces différentes phases reste une question ouverte. "Alors que la théorie s'attend à ce que nous puissions régler l'ordre de l'état fondamental, la complexité du système rend difficile de déterminer exactement quelle commande est réellement réalisée, " déclare le professeur de physique et co-auteur Philip Kim.

"C'est là que se dirige la prochaine phase de nos recherches, " dit Dean. " Les implications pour ce résultat pourraient être de grande envergure, " il ajoute, "Bien que nous ne voyons encore aucune preuve d'États non abéliens, le fait que nous soyons capables de modifier la nature de l'effet Hall quantique fractionnaire par des champs électriques est une première étape vraiment excitante."

Alors que les efforts précédents ont été en mesure de démontrer différents aspects de l'exigence de l'échantillon, aucun autre groupe n'a été en mesure de rassembler tout cela dans un seul appareil. Dean attribue ce succès à l'environnement de collaboration unique favorisé à l'Université de Columbia. "C'est vraiment un environnement remarquable, " il dit, ajouter, "L'échange ouvert d'idées entre plusieurs disciplines fait de l'environnement de Columbia un terrain fertile pour faire de la grande science." La fabrication du dispositif et les tests initiaux ont été effectués à l'Université de Columbia. La mesure sous de grands champs magnétiques a ensuite été effectuée par l'équipe de Columbia avec l'aide de l'installation utilisateur du National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride. "Nous avons établi une relation fantastique avec la NHFML depuis de nombreuses années, " dit Dean. " Le soutien fourni par le personnel de la NHMFL au niveau technique et scientifique a été inestimable pour nos efforts. "