5 octobre 2017—Une équipe dirigée par Cory Dean, professeur adjoint de physique à l'Université de Columbia, et James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, a définitivement observé une anomalie intensément étudiée en physique de la matière condensée - l'état Hall quantique fractionnaire (FQH) à dénominateur pair - via la mesure du transport dans le graphène bicouche. L'étude est publiée en ligne aujourd'hui dans Science .

"Observer l'état 5/2 dans n'importe quel système est une opportunité scientifique remarquable, puisqu'il englobe certains des concepts les plus déroutants de la physique moderne de la matière condensée, comme l'émergence, formation de quasi-particules, quantification, et même la supraconductivité, " Dit Dean. "Notre observation que, en graphène bicouche, l'état 5/2 survit à des températures beaucoup plus élevées que ce que l'on pensait possible auparavant nous permet non seulement d'étudier ce phénomène de nouvelles manières, mais change également notre vision de l'état FQH d'être en grande partie une curiosité scientifique à maintenant un grand potentiel pour des applications dans le monde réel, en particulier en informatique quantique."

Découverte pour la première fois dans les années 1980 dans des hétérostructures d'arséniure de gallium (GaAs), l'état de hall quantique fractionnaire 5/2 reste l'exception singulière à la règle par ailleurs stricte qui dit que les états de hall quantique fractionnaires ne peuvent exister qu'avec des dénominateurs impairs. Peu de temps après la découverte, des travaux théoriques ont suggéré que cet état pourrait représenter un type exotique de supraconducteur, notable en partie pour la possibilité qu'une telle phase puisse permettre une approche fondamentalement nouvelle du calcul quantique. Cependant, la confirmation de ces théories est restée insaisissable, en grande partie en raison de la nature fragile de l'État; dans GaAs, il n'est observable que dans les échantillons de la plus haute qualité et n'apparaît même alors qu'à des températures de millikelvin (jusqu'à 10, 000 fois plus froide que le point de congélation de l'eau).

L'équipe de Columbia a maintenant observé ce même état dans le graphène bicouche et apparaissant à des températures beaucoup plus élevées atteignant plusieurs Kelvin. "Alors qu'il fait encore 100 fois plus froid que le point de congélation de l'eau, voir l'état du dénominateur pair à ces températures ouvre la porte à une toute nouvelle suite d'outils expérimentaux qui étaient auparavant impensables, " dit Dean. " Après plusieurs décennies d'efforts par des chercheurs du monde entier, nous sommes peut-être enfin sur le point de résoudre le mystère du 5/2."

L'un des problèmes en suspens dans le domaine de la physique moderne de la matière condensée est de comprendre le phénomène d'"émergence, " le résultat d'une grande collection de particules quantiques se comportant de concert en raison d'interactions entre les particules et donnant naissance à de nouvelles caractéristiques qui ne sont pas une caractéristique des parties individuelles. Par exemple, dans les supraconducteurs, un grand nombre d'électrons s'effondrent tous en un seul état quantique, qui peut alors se propager à travers un métal sans aucune perte d'énergie. L'effet Hall quantique fractionnaire est un autre état dans lequel les électrons entrent en collusion, en présence d'un champ magnétique, résultant en des quasi-particules avec des propriétés quantiques potentiellement exotiques.

Très difficile à prévoir théoriquement, l'émergence remet souvent en question notre compréhension fondamentale du comportement des particules. Par exemple, puisque deux électrons ont la même charge, nous considérons les électrons comme des objets qui veulent se repousser. Cependant, dans un métal supraconducteur, les électrons s'apparient de manière inattendue, formant un nouvel objet connu sous le nom de paire de tonneliers. Les électrons individuels se dispersent lorsqu'ils se déplacent à travers un métal, susciter des résistances, mais les paires de tonneliers formées spontanément se comportent collectivement de telle manière qu'elles se déplacent à travers le matériau sans aucune résistance.

"Pensez à essayer de vous frayer un chemin à travers une foule lors d'un concert de rock où tout le monde danse avec beaucoup d'énergie et vous heurte constamment, par rapport à une piste de danse de salon où des paires de danseurs se déplacent tous de la même manière, façon soigneusement chorégraphiée, et il est facile de s'éviter, " dit Dean. " L'une des raisons qui rend l'effet Hall quantique fractionnaire à dénominateur pair si fascinant est que son origine est considérée comme très similaire à celle d'un supraconducteur, mais, au lieu de simplement former des paires de tonneliers, un tout nouveau type de particule quantique émerge."

Selon la mécanique quantique, les particules élémentaires se répartissent en deux catégories, Fermions et Bosons, et se comportent de manières très différentes. Deux Fermion, comme les électrons, ne peut pas occuper le même état, c'est pourquoi, par exemple, les électrons dans les atomes remplissent des orbitales successives. Bosons, comme les photons, ou des particules de lumière, peut occuper le même état, leur permettant d'agir de manière cohérente comme dans l'émission lumineuse d'un laser. Lorsque deux particules identiques sont échangées, la fonction d'onde de la mécanique quantique décrivant leur état combiné est multipliée par un facteur de phase de 1 pour les bosons, et -1 pour Fermions.

Peu de temps après la découverte de l'effet hall quantique fractionnaire, il a été suggéré pour des raisons théoriques que les quasiparticules associées à cet état ne se comportent ni comme des bosons ni comme des fermions, mais plutôt comme ce qu'on appelle un anyon :lorsque des quasiparticules anyon sont échangées, le facteur de phase n'est ni 1 ni -1 mais est fractionnaire. Malgré plusieurs décennies d'efforts, il n'y a toujours pas de preuve expérimentale concluante confirmant que ces quasiparticules sont des anyons. L'état 5/2 - un anyon non-abélien - est considéré comme encore plus exotique. En théorie, les anyons non abéliens obéissent aux statistiques anyoniques comme dans d'autres états fractionnaires de Hall quantique, mais avec la particularité que cette phase ne peut pas être simplement annulée en inversant le processus. Cette incapacité à simplement dérouler la phase rendrait toute information stockée dans le système particulièrement stable, et c'est pourquoi beaucoup de gens pensent que le 5/2 pourrait être un excellent candidat pour le calcul quantique.

« La démonstration des statistiques 5/2 prédites représenterait un énorme exploit, " dit Dean. " À bien des égards, cela confirmerait que, en fabriquant un système matériel avec juste la bonne épaisseur et juste le bon nombre d'électrons, puis en appliquant juste les bons champs magnétiques, nous pourrions effectivement concevoir des classes de particules fondamentalement nouvelles, avec des propriétés qui n'existent pas autrement parmi les particules connues naturellement présentes dans l'univers. Nous n'avons toujours aucune preuve concluante que l'état 5/2 présente des propriétés non-abéliennes, mais notre découverte de cet état dans le graphène bicouche ouvre de nouvelles opportunités passionnantes pour tester ces théories."

Jusqu'à maintenant, toutes ces conditions devaient être non seulement justes, mais aussi extrêmes. Dans les semi-conducteurs conventionnels, les états au dénominateur pair sont très difficiles à isoler, et n'existent que pour les matériaux ultra-purs, à des températures extrêmement basses et des champs magnétiques élevés. Alors que certaines caractéristiques de l'État ont été observables en concevant des expériences qui pourraient enquêter sur l'État sans le détruire, a été difficile.

"Nous avions besoin d'une nouvelle plate-forme, " dit Hone. " Avec l'isolement réussi du graphène, ces couches atomiquement minces d'atomes de carbone ont émergé comme une plate-forme prometteuse pour l'étude des électrons en 2D en général. L'une des clés est que les électrons du graphène interagissent encore plus fortement que dans les systèmes électroniques 2D conventionnels, rendant théoriquement les effets tels que l'état du dénominateur pair encore plus robustes. Mais alors qu'il y a eu des prédictions selon lesquelles le graphène bicouche pourrait héberger les états de dénominateur pair recherchés depuis longtemps, à des températures plus élevées qu'auparavant, ces prédictions n'ont pas été réalisées en raison principalement de la difficulté de rendre le graphène suffisamment propre."

L'équipe de Columbia s'est appuyée sur de nombreuses années de travail de pionnier pour améliorer la qualité des appareils au graphène, créer des dispositifs ultra-propres entièrement à partir de matériaux 2D atomiquement plats :graphène bicouche pour le canal conducteur, le nitrure de bore hexagonal comme isolant protecteur, et le graphite utilisé pour les connexions électriques et comme grille conductrice pour modifier la densité des porteurs de charge dans le canal.

Un élément crucial de la recherche était d'avoir accès aux outils de champs magnétiques élevés disponibles au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride., une installation d'utilisateurs financée à l'échelle nationale avec laquelle Hone et Dean ont eu de nombreuses collaborations. Ils ont étudié la conduction électrique à travers leurs appareils sous des champs magnétiques jusqu'à 34 Tesla, et obtenu une observation claire des états au dénominateur pair.

"En inclinant l'échantillon par rapport au champ magnétique, nous avons pu fournir une nouvelle confirmation que cet état FQH possède de nombreuses propriétés prédites par la théorie, comme être polarisé en spin, " dit Jia Li, l'auteur principal de l'article et chercheur post-doctoral travaillant avec Dean et Hone. "Nous avons également découvert que dans le graphène bicouche, cet état peut être manipulé d'une manière qui n'est pas possible avec les matériaux conventionnels."

Le résultat de l'équipe Columbia, qui démontre la mesure dans le transport - comment les électrons circulent dans le système - est une étape cruciale vers la confirmation de l'origine exotique possible de l'état de dénominateur pair. Leurs résultats sont rapportés en même temps qu'un rapport similaire d'un groupe de recherche de l'Université de Californie, Santa Barbara. L'étude UCSB a observé l'état du dénominateur pair par mesure de capacité, qui sonde l'existence d'un gap électrique associé à l'apparition de l'état.

L'équipe s'attend à ce que les mesures robustes qu'ils ont maintenant observées dans le graphène bicouche permettront de nouvelles expériences qui pourraient prouver définitivement sa nature non abélienne. Une fois celui-ci établi, l'équipe espère commencer à démontrer le calcul en utilisant l'état du dénominateur pair.

"Depuis de nombreuses décennies, on pense que si l'état 5/2 représente effectivement un anyon non abélien, il pourrait théoriquement révolutionner les efforts pour construire un ordinateur quantique, " Dean observe. " Dans le passé, cependant, les conditions extrêmes nécessaires pour voir l'état du tout, encore moins l'utiliser pour le calcul, ont toujours été une préoccupation majeure de praticité. Nos résultats sur le graphène bicouche suggèrent que ce rêve n'est peut-être pas si loin de la réalité."