Des chercheurs de l'Université de Columbia rapportent avoir observé un fluide quantique connu sous le nom d'états de Hall quantique fractionnaire (FQHS), l'une des phases les plus délicates de la matière, pour la première fois dans un semi-conducteur 2-D monocouche. Leurs résultats démontrent l'excellente qualité intrinsèque des semi-conducteurs 2D et en font une plate-forme de test unique pour les futures applications en informatique quantique. L'étude a été publiée en ligne aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .

"Nous avons été très surpris d'observer cet état dans les semi-conducteurs 2D car il a généralement été supposé qu'ils sont trop sales et désordonnés pour accueillir cet effet, " dit Cory Dean, professeur de physique à l'université de Columbia. "De plus, la séquence FQHS dans notre expérience révèle un nouveau comportement inattendu et intéressant que nous n'avons jamais vu auparavant, et suggère en fait que les semi-conducteurs 2-D sont des plates-formes presque idéales pour étudier plus avant FQHS. »

L'état Hall quantique fractionnaire est un phénomène collectif qui se produit lorsque les chercheurs confinent des électrons pour se déplacer dans un plan bidimensionnel mince, et les soumettre à de grands champs magnétiques. Découvert pour la première fois en 1982, l'effet Hall quantique fractionnaire est étudié depuis plus de 40 ans, pourtant, de nombreuses questions fondamentales demeurent. L'une des raisons à cela est que l'état est très fragile et n'apparaît que dans les matériaux les plus propres.

« L'observation de la FQHS est donc souvent considérée comme une étape importante pour un matériau 2D, une étape que seuls les systèmes électroniques les plus propres ont atteint, " note Jim Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering.

Alors que le graphène est le matériau 2D le plus connu, un grand groupe de matériaux similaires ont été identifiés au cours des 10 dernières années, qui peuvent tous être exfoliés jusqu'à une seule épaisseur de couche. Une classe de ces matériaux est les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), comme WSe2, le matériel utilisé dans cette nouvelle étude. Comme le graphène, ils peuvent être pelés pour être atomiquement minces, mais, contrairement au graphène, leurs propriétés sous champs magnétiques sont beaucoup plus simples. Le défi a été que la qualité du cristal des TMD n'était pas très bonne.

« Depuis que TMD est monté sur scène, il a toujours été considéré comme un matériau sale avec de nombreux défauts, " dit Hone, dont le groupe a considérablement amélioré la qualité des TMD, le poussant à une qualité proche du graphène, souvent considéré comme le standard ultime de pureté parmi les matériaux 2D.

En plus de la qualité de l'échantillon, les études des matériaux semi-conducteurs 2-D ont été entravées par les difficultés à établir un bon contact électrique. Pour remédier à ce, les chercheurs de Columbia ont également développé la capacité de mesurer les propriétés électroniques par capacité, plutôt que les méthodes conventionnelles de circulation d'un courant et de mesure de la résistance. Un avantage majeur de cette technique est que la mesure est moins sensible à la fois au mauvais contact électrique et aux impuretés dans le matériau. Les mesures de cette nouvelle étude ont été effectuées sous de très grands champs magnétiques, qui aident à stabiliser le FQHS, au National High Magnetic Field Lab.

"Les nombres fractionnaires qui caractérisent le FQHS que nous avons observé - les rapports de la particule au nombre de flux magnétique - suivent une séquence très simple, " dit Qianhui Shi, le premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral à la Columbia Nano Initiative. "La séquence simple est cohérente avec les attentes théoriques génériques, mais tous les systèmes précédents montrent un comportement plus complexe et irrégulier. Cela nous dit que nous avons enfin une plate-forme presque idéale pour l'étude de la FQHS, où les expériences peuvent être directement comparées à des modèles simples."

Parmi les nombres fractionnaires, l'un d'eux a un dénominateur pair. "Observer l'effet Hall quantique fractionnaire était en soi surprenant, voir l'état du dénominateur pair dans ces appareils était vraiment étonnant, puisqu'auparavant cet état n'était observé que dans le meilleur des meilleurs appareils, " dit Dean.

Les états fractionnaires avec des dénominateurs pairs ont reçu une attention particulière depuis leur première découverte à la fin des années 1980, puisqu'ils sont censés représenter un nouveau type de particule, une avec des propriétés quantiques différentes de toute autre particule connue dans l'univers. "Les propriétés uniques de ces particules exotiques, " note Zlatko Papic, professeur agrégé de physique théorique à l'Université de Leeds, "pourrait être utilisé pour concevoir des ordinateurs quantiques protégés contre de nombreuses sources d'erreurs."

Jusque là, les efforts expérimentaux pour à la fois comprendre et exploiter les états du dénominateur pair ont été limités par leur extrême sensibilité et le très petit nombre de matériaux dans lesquels cet état a pu être trouvé. "Cela fait la découverte de l'état du dénominateur pair dans une plate-forme matérielle nouvelle et différente, vraiment très excitant, " ajoute Dean.

Les deux laboratoires de l'Université de Columbia, le Dean Lab et le Hone Group, ont travaillé en collaboration avec le NIMS Japan, qui a fourni une partie des matériaux, et Papique, dont le groupe a effectué la modélisation informatique des expériences. Les deux laboratoires de Columbia font partie du Material Research Science and Engineering Center de l'université. Ce projet a également utilisé les salles blanches de la Columbia Nano Initiative et du City College. Des mesures à de grands champs magnétiques ont été effectuées au National High Magnetic Field Laboratory, une installation utilisateur financée par la National Science Foundation et basée à la Florida State University à Tallahassee, Fl.

Maintenant que les chercheurs disposent de semi-conducteurs 2D très propres ainsi que d'une sonde efficace, ils explorent d'autres états intéressants qui émergent de ces plates-formes 2-D.