Ces dernières années, un phénomène appelé effet Hall quantique est apparu comme une plate-forme pour héberger des caractéristiques exotiques appelées quasiparticules, avec des propriétés qui pourraient conduire à des applications passionnantes dans des domaines comme l'informatique quantique. Lorsqu'un champ magnétique puissant est appliqué à un matériau ou à un gaz 2D, les électrons à l'interface, contrairement à ceux de la masse, sont libres de se déplacer le long des bords dans ce qu'on appelle des modes de bord ou des canaux, un peu similaires aux voies d'autoroute. Ce mouvement de bord, qui est l'essence de l'effet Hall quantique, peut conduire à de nombreuses propriétés intéressantes en fonction du matériau et des conditions.

Pour les électrons conventionnels, le courant ne circule que dans un seul sens dicté par le champ magnétique ("vers l'aval"). Cependant, les physiciens ont prédit que certains matériaux peuvent avoir des canaux de contre-propagation où certaines quasi-particules peuvent également se déplacer dans la direction opposée ("en amont"). Bien que ces canaux en amont soient d'un grand intérêt pour les scientifiques car ils peuvent héberger une variété de nouveaux types de quasi-particules, ils ont été extrêmement difficiles à identifier car ils ne transportent aucun courant électrique.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Indian Institute of Science (IISc) et des collaborateurs internationaux fournissent des preuves irréfutables de la présence de modes en amont le long desquels certaines quasiparticules neutres se déplacent dans le graphène à deux couches. Pour détecter ces modes ou canaux, l'équipe a utilisé une nouvelle méthode utilisant le bruit électrique, c'est-à-dire les fluctuations du signal de sortie causées par la dissipation thermique.

"Bien que les excitations en amont soient de charge neutre, elles peuvent transporter de l'énergie thermique et produire une tache de bruit le long de la direction en amont", explique Anindya Das, professeur agrégé au Département de physique et auteur correspondant de l'étude publiée dans Nature Communications .

Les quasiparticules sont en grande partie des excitations qui surviennent lorsque des particules élémentaires comme les électrons interagissent entre elles ou avec la matière qui les entoure. Ce ne sont pas vraiment des particules mais des particules similaires comme la masse et la charge. L'exemple le plus simple est un «trou» - une lacune où un électron manque dans un état d'énergie donné dans un semi-conducteur. Il a une charge opposée à l'électron et peut se déplacer à l'intérieur d'un matériau comme le fait l'électron. Des paires d'électrons et de trous peuvent également former des quasi-particules qui peuvent se propager le long du bord du matériau.

Dans des études précédentes, les chercheurs ont montré qu'il pourrait être possible de détecter des quasi-particules émergentes comme les fermions de Majorana dans le graphène; l'espoir est d'exploiter ces quasi-particules pour éventuellement construire des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. Pour identifier et étudier de telles particules, la détection des modes en amont qui peuvent les héberger est essentielle. Bien que de tels modes en amont aient été détectés plus tôt dans les systèmes à base d'arséniure de gallium, aucun n'a été identifié jusqu'à présent dans le graphène et les matériaux à base de graphène, qui offrent beaucoup plus de promesses en matière d'applications futuristes.

Dans l'étude actuelle, lorsque les chercheurs ont appliqué un potentiel électrique au bord du graphène à deux couches, ils ont découvert que la chaleur n'était transportée que dans les canaux en amont et dissipée à certains "points chauds" dans cette direction. À ces endroits, la chaleur générait un bruit électrique qui pouvait être capté par un circuit de résonance électrique et un analyseur de spectre.

Les auteurs ont également découvert que le mouvement de ces quasi-particules dans les canaux en amont était "balistique" - l'énergie thermique circulait d'un point chaud à un autre sans aucune perte - contrairement au transport "diffusif" observé précédemment dans les systèmes à base d'arséniure de gallium. Un tel mouvement balistique indique également la présence d'états et de caractéristiques exotiques qui pourraient aider à construire des composants quantiques économes en énergie et sans défaut à l'avenir, selon les auteurs. + Explorer plus loin

Particules quantiques exotiques :moins de champ magnétique requis