Prenez un crayon. Faites une marque sur un morceau de papier. Félicitations :vous faites de la physique de la matière condensée de pointe. Vous ferez peut-être même la première marque sur la route des ordinateurs quantiques, selon une nouvelle recherche du Périmètre.

Présentation du graphène

L'un des matériaux les plus chauds dans la recherche sur la matière condensée aujourd'hui est le graphène.

Le graphène a eu un début improbable :il a commencé avec des chercheurs s'amusant avec des marques de crayon sur du papier. Le crayon "mine" est en fait en graphite, qui est un réseau cristallin mou composé uniquement d'atomes de carbone. Quand les crayons déposent ce graphite sur le papier, le treillis est posé en feuilles minces. En séparant ce réseau en feuilles plus minces – à l'origine en utilisant du scotch – les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient fabriquer des flocons de cristal d'une épaisseur d'un atome seulement.

Le nom de ce grillage à l'échelle atomique est le graphène. Ces gens avec le scotch, André Geim et Konstantin Novoselov, a remporté le prix Nobel 2010 pour sa découverte. « En tant que matériau, il est complètement nouveau - non seulement le plus fin mais aussi le plus solide, " a écrit le comité Nobel. " En tant que conducteur d'électricité, il se comporte aussi bien que le cuivre. En tant que conducteur de chaleur, il surpasse tous les autres matériaux connus. Il est presque complètement transparent, pourtant si dense que même pas l'hélium, le plus petit atome de gaz, peut le traverser."

Développer un modèle théorique du graphène

Le graphène n'est pas seulement une merveille pratique, c'est aussi un pays des merveilles pour les théoriciens. Confiné à la surface bidimensionnelle du graphène, les électrons se comportent étrangement. Toutes sortes de phénomènes nouveaux peuvent être observés, et de nouvelles idées peuvent être testées. Tester de nouvelles idées dans le graphène est exactement ce que les chercheurs de l'Institut Périmètre Zlatko Papić et Dmitry (Dima) Abanin ont entrepris de faire.

"Dima et moi avons commencé à travailler sur le graphène il y a très longtemps, " dit Papić. "Nous nous sommes rencontrés pour la première fois en 2009 lors d'une conférence en Suède. J'étais étudiant diplômé et Dima était en première année de post-doctorat, Je pense."

Les deux jeunes scientifiques ont discuté de la nouvelle physique qu'ils pourraient observer dans le nouveau matériau étrange lorsqu'il est exposé à un champ magnétique puissant.

"Nous avons décidé que nous voulions modéliser le matériau, " dit Papić. Ils ont travaillé sur leur modèle théorique du graphène, allumé et éteint, depuis. Les deux sont maintenant tous les deux à l'Institut Périmètre, où Papić est chercheur postdoctoral et Abanin est membre du corps professoral. Ils sont tous deux nommés conjointement avec l'Institute for Quantum Computing (IQC) de l'Université de Waterloo.

En janvier 2014, ils ont publié un article dans Lettres d'examen physique (PRL) présentant de nouvelles idées sur la façon d'induire un état étrange mais intéressant dans le graphène - un état où il semble que les particules à l'intérieur aient une fraction de la charge d'un électron.

C'est ce qu'on appelle l'effet Hall quantique fractionnaire (FQHE), et ça tourne la tête. Comme la vitesse de la lumière ou la constante de Planck, la charge de l'électron est un point fixe dans l'univers quantique désorientant.

Chaque système de l'univers porte des multiples entiers de la charge d'un seul électron. Lorsque le FQHE a été découvert pour la première fois dans les années 1980, les physiciens de la matière condensée ont rapidement compris que les "particules" chargées en fractions à l'intérieur de leurs semi-conducteurs étaient en fait des quasi-particules - c'est-à-dire, comportements collectifs émergents du système qui imitent les particules.

Le graphène est un matériau idéal pour étudier le FQHE. "Parce que c'est juste un atome d'épaisseur, vous avez un accès direct à la surface, " dit Papić. " Dans les semi-conducteurs, où FQHE a été observé pour la première fois, les gaz d'électrons qui créent cet effet sont enfouis profondément à l'intérieur du matériau. Ils sont difficiles d'accès et de manipulation. Mais avec le graphène, vous pouvez imaginer manipuler ces états beaucoup plus facilement."

Dans le journal de janvier, Abanin et Papić ont signalé de nouveaux types d'états FQHE qui pourraient survenir dans le graphène bicouche, c'est-à-dire dans deux feuilles de graphène superposées - lorsqu'elles sont placées dans un champ magnétique perpendiculaire puissant. Dans un ouvrage antérieur de 2012, ils ont fait valoir que l'application d'un champ électrique à travers la surface du graphène bicouche pourrait offrir un bouton expérimental unique pour induire des transitions entre les états FQHE. En combinant les deux effets, ils se disputèrent, serait un moyen idéal pour examiner les états FQHE spéciaux et les transitions entre eux.

Essais expérimentaux

Deux groupes expérimentaux – un à Genève, impliquant Abanin, et un à Columbia, impliquant à la fois Abanin et Papić – ont depuis fait bon usage de la méthode champ électrique + champ magnétique. L'article du groupe Columbia paraît dans le numéro du 4 juillet de Science . Un troisième groupe, dirigé par Amir Yacoby de Harvard, effectue un travail étroitement lié.

« Nous travaillons souvent main dans la main avec des expérimentateurs, " dit Papić. " L'une des raisons pour lesquelles j'aime la matière condensée est que souvent même la plus sophistiquée, la théorie de pointe a de bonnes chances d'être rapidement vérifiée par l'expérience."

A l'intérieur du champ magnétique et électrique, la résistance électrique du graphène démontre le comportement étrange caractéristique du FQHE. Au lieu de la résistance qui varie dans une courbe lisse avec la tension, la résistance saute soudainement d'un niveau à un autre, puis des plateaux – une sorte d'escalier de résistance. Chaque marche d'escalier est un état différent de la matière, défini par l'enchevêtrement quantique complexe des charges, tourne, et d'autres propriétés à l'intérieur du graphène.

« Le nombre d'États est assez riche, " dit Papić. "Nous sommes très intéressés par le graphène bicouche en raison du nombre d'états que nous détectons et parce que nous avons ces mécanismes - comme le réglage du champ électrique - pour étudier comment ces états sont interdépendants, et que se passe-t-il lorsque le matériau passe d'un état à un autre."

Pour le moment, les chercheurs s'intéressent particulièrement aux marches d'escalier dont la « hauteur » est décrite par une fraction de dénominateur pair. C'est parce que les quasiparticules dans cet état devraient avoir une propriété inhabituelle.

Il existe deux sortes de particules dans notre monde tridimensionnel :les fermions (comme les électrons), où deux particules identiques ne peuvent occuper un état, et les bosons (comme les photons), où deux particules identiques veulent en fait occuper un état. En trois dimensions, les fermions sont des fermions et les bosons sont des bosons, Et jamais les deux ne se rencontreront.

Mais une feuille de graphène n'a pas trois dimensions, elle en a deux. C'est effectivement un petit univers à deux dimensions, et dans cet univers, de nouveaux phénomènes peuvent se produire. Pour une chose, les fermions et les bosons peuvent se rencontrer à mi-chemin - devenir anyons, qui peut être n'importe où entre les fermions et les bosons. On s'attend à ce que les quasiparticules dans ces états d'escalier spéciaux soient des anyons.

En particulier, les chercheurs espèrent que ces quasiparticules seront des anyons non abéliens, comme leur théorie l'indique, ils devraient l'être. Ce serait passionnant car les anyons non abéliens peuvent être utilisés dans la fabrication de qubits.

Qubits de graphène ?

Les qubits sont aux ordinateurs quantiques ce que les bits sont aux ordinateurs ordinaires :à la fois une unité d'information de base et l'équipement de base qui stocke ces informations. En raison de leur complexité quantique, les qubits sont plus puissants que les bits ordinaires et leur puissance augmente de façon exponentielle à mesure qu'ils sont ajoutés. Un ordinateur quantique de seulement cent qubits peut résoudre certains problèmes hors de portée même des meilleurs supercalculateurs non quantiques. Ou, ça pourrait, si quelqu'un pouvait trouver un moyen de créer des qubits stables.

La volonté de créer des qubits fait partie de la raison pour laquelle le graphène est un domaine de recherche en vogue en général, et pourquoi les états FQHE au dénominateur pair – avec leurs anyons spéciaux – sont particulièrement recherchés. "Un état avec un certain nombre de ces anyons peut être utilisé pour représenter un qubit, " dit Papić. "Notre théorie dit qu'ils devraient être là et les expériences semblent le confirmer - certainement les états FQHE au dénominateur pair semblent être là, du moins selon les expériences de Genève."

C'est encore un pas loin de la preuve expérimentale que ces états d'escalier à dénominateur pair contiennent en fait des anyons non abéliens. Il reste du travail, mais Papić est optimiste :« Cela pourrait être plus facile à prouver dans le graphène que dans les semi-conducteurs. Tout se passe à la surface. »

C'est encore tot, mais il semble que le graphène bicouche soit le matériau magique qui permet de construire ce type de qubit. Ce serait une marque majeure sur la ligne improbable entre la mine de crayon et les ordinateurs quantiques.