ENGINEERINGNET.BE - Un électron est censé être indivisible. Il porte une unité élémentaire de charge électrique, et tous les électrons sont exactement identiques.
Mais dans des conditions extrêmes, un grand nombre d’électrons agissent ensemble et donnent naissance à de nouveaux objets quantiques appelés quasi-particules.
Celles-ci se comportent comme si elles ne portaient qu’une fraction de la charge d’un électron, ce qui en fait l’un des phénomènes les plus étranges de la physique moderne.
De telles conditions extrêmes se produisent lors d’un phénomène appelé « effet Hall quantique » : lorsque les électrons sont confinés dans un espace bidimensionnel et exposés à un champ magnétique intense à très basse température, ils cessent de se comporter comme des particules individuelles et s’organisent au contraire en états quantiques hautement ordonnés.
Dans certains de ces états, le mouvement collectif d’un grand nombre d’électrons donne naissance à des quasi-particules dotées de charges électriques fractionnaires.
Pendant des années, les scientifiques ont eu recours à des expériences complexes pour détecter ces charges fractionnaires.
Désormais, une équipe dirigée par Mitali Banerjee, professeure au Laboratoire de physique quantique, topologie et corrélation de l’EPFL, a démontré qu’un dispositif en graphène beaucoup plus simple permet d’étudier un nombre bien plus important d’états des électrons.
Le dispositif est constitué de graphène bicouche, un matériau composé de deux couches d’atomes de carbone. À l’aide de grilles électriques, les chercheuses et chercheurs ont créé un minuscule monticule d’énergie appelé « antidot ».
Les quasi-particules se déplacent autour de cette colline d'énergie selon des trajectoires bien définies. La modification du champ magnétique ou de la tension de grille les amène à traverser le dispositif par effet tunnel à intervalles réguliers. Chaque événement de tunneling produit une légère oscillation du signal électrique.
En mesurant l'espacement entre ces oscillations, les chercheuses et chercheurs peuvent déterminer la charge des quasi-particules. En d'autres termes, l'« antidot » agit comme un mesureur de charge ultrasensible.
Les mesures ont révélé la présence de quasi-particules portant un tiers de la charge d’un électron dans plusieurs états de Hall quantique entier, notamment les états de Hall quantiques 4/3, 5/3 et 7/3. Les chercheurs ont également mesuré des charges correspondant aux deux tiers d’un électron dans l’état 2/3 et aux trois cinquièmes d’un électron dans l’état 3/5.
Les nombres 4/3, 5/3 ou 7/3 décrivent différents états de Hall quantiques, chacun correspondant à une manière distincte dont les électrons occupent collectivement les niveaux d’énergie disponibles dans un champ magnétique. Certains de ces états sont censés héberger des quasi-particules dotées de charges fractionnaires différentes, ce que mesure précisément ce nouveau dispositif.
Un état, connu sous le nom de 8/3, s’est comporté différemment. Dans ce cas, le dispositif a montré des signatures correspondant à la fois à une charge d’un tiers et à une charge de deux tiers d’électron. Les scientifiques évoquent plusieurs explications possibles à ce comportement inhabituel, notamment différentes structures de bord et différents mécanismes d’effet tunnel.
Ces quasi-particules à charge fractionnaire constituent une caractéristique déterminante de la matière quantique topologique, une classe inhabituelle de matériaux dont les propriétés découlent du comportement collectif d’un grand nombre de particules plutôt que de celui d’atomes individuels. Leur étude aide à tester des idées fondamentales de la mécanique quantique et à comprendre les états exotiques de la matière.
Certains de ces états sont aussi explorés comme composants potentiels de futures technologies quantiques. La nouvelle conception de l’« antidot » offre un moyen pratique de les étudier. Elle est compacte, réglable électriquement et repose sur de simples mesures de conductance plutôt que sur les techniques plus élaborées utilisées dans de nombreuses expériences précédentes. (Auteur: Nik Papageorgiou - Source: EPFL)
