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 Editors' notes

Electrons become fractions of themselves in graphene, study finds

Les électrons deviennent des fractions d’eux-mêmes dans le graphène, selon une étude

par le Massachusetts Institute of Technology

L’effet Hall quantique fractionnaire a généralement été observé sous des champs magnétiques très élevés, mais les physiciens du MIT l’ont maintenant observé dans du graphène simple. Dans un super-réseau moiré de graphène/nitrure de bore hexagonal (hBN) à cinq couches, les électrons (boule bleue) interagissent fortement les uns avec les autres et se comportent comme s'ils étaient divisés en charges fractionnaires. Crédit : Sampson Wilcox, RLE

L’électron est l’unité de base de l’électricité, car il porte une seule charge négative. C’est ce que nous apprenons en physique au lycée, et c’est majoritairement le cas pour la plupart des matériaux naturels.

Mais dans des états très particuliers de la matière, les électrons peuvent se diviser en fractions. Ce phénomène, connu sous le nom de « charge fractionnaire », est extrêmement rare, et s'il peut être cerné et contrôlé, l'état électronique exotique pourrait aider à construire des ordinateurs quantiques résilients et tolérants aux pannes.

À ce jour, cet effet, connu des physiciens sous le nom d’« effet Hall quantique fractionnaire », a été observé à plusieurs reprises, et principalement sous des champs magnétiques très élevés et soigneusement entretenus. Ce n’est que récemment que les scientifiques ont observé cet effet dans un matériau qui ne nécessitait pas une manipulation magnétique aussi puissante.

Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont observé l’insaisissable effet de charge fractionnaire, cette fois dans un matériau plus simple : cinq couches de graphène, une couche de carbone de la taille d’un atome qui provient du graphite et de la mine de crayon commune. Ils rapportent leurs résultats dans Nature.

Ils ont découvert que lorsque cinq feuilles de graphène sont empilées comme des marches dans un escalier, la structure résultante fournit intrinsèquement les conditions idéales pour que les électrons puissent passer à travers sous forme de fractions de leur charge totale, sans avoir besoin d'un champ magnétique externe.

Les résultats sont la première preuve de « l’effet Hall anormal quantique fractionnaire » (le terme « anormal » fait référence à l’absence de champ magnétique) dans le graphène cristallin, un matériau auquel les physiciens ne s’attendaient pas à présenter cet effet.

"Ce graphène à cinq couches est un système matériel dans lequel de nombreuses bonnes surprises se produisent", explique l'auteur de l'étude Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT. "La charge fractionnaire est tellement exotique, et nous pouvons désormais réaliser cet effet avec un système beaucoup plus simple et sans champ magnétique. Cela en soi est important pour la physique fondamentale. Et cela pourrait ouvrir la voie à un type d'informatique quantique plus complexe." robuste contre les perturbations.

Les co-auteurs de Ju au MIT sont les auteurs principaux Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo et Liang Fu, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Un état bizarre

​L’effet Hall quantique fractionnaire est un exemple des phénomènes étranges qui peuvent survenir lorsque des particules passent d’un comportement d’unités individuelles à un comportement d’ensemble. Ce comportement collectif « corrélé » apparaît dans des états particuliers, par exemple lorsque les électrons sont ralentis de leur rythme normalement frénétique à un rythme qui permet aux particules de se sentir les unes les autres et d'interagir. Ces interactions peuvent produire des états électroniques rares, tels que la division apparemment peu orthodoxe de la charge d'un électron.

En 1982, des scientifiques ont découvert l'effet Hall quantique fractionnaire dans des hétérostructures d'arséniure de gallium, où un gaz d'électrons confiné dans un plan bidimensionnel est placé sous des champs magnétiques élevés. Cette découverte a ensuite valu au groupe un prix Nobel de physique.

"[La découverte] a été très importante, car ces charges unitaires interagissant de manière à donner quelque chose comme une charge fractionnaire étaient très, très bizarres", explique Ju. "À l'époque, il n'existait aucune prédiction théorique et les expériences ont surpris tout le monde."

Ces chercheurs ont obtenu des résultats révolutionnaires en utilisant des champs magnétiques pour ralentir suffisamment les électrons du matériau pour qu'ils puissent interagir. Les champs avec lesquels ils ont travaillé étaient environ 10 fois plus puissants que ceux qui alimentent généralement un appareil IRM.

En août 2023, des scientifiques de l’Université de Washington ont signalé la première preuve d’une charge fractionnaire sans champ magnétique. Ils ont observé cette version « anormale » de l’effet, dans un semi-conducteur torsadé appelé ditellurure de molybdène. Le groupe a préparé le matériau dans une configuration spécifique, qui, selon les théoriciens, donnerait au matériau un champ magnétique inhérent, suffisant pour encourager les électrons à se fractionner sans aucun contrôle magnétique externe.

Le résultat « sans aimants » a ouvert une voie prometteuse vers l'informatique quantique topologique : une forme plus sécurisée d'informatique quantique, dans laquelle l'ingrédient supplémentaire de la topologie (une propriété qui reste inchangée face à une faible déformation ou perturbation) confère une protection supplémentaire au qubit. lors de la réalisation d'un calcul.

Ce schéma de calcul est basé sur une combinaison d’effet Hall quantique fractionnaire et d’un supraconducteur. Autrefois, c'était presque impossible à réaliser : il faut un champ magnétique puissant pour obtenir une charge fractionnée, alors que le même champ magnétique tue généralement le supraconducteur. Dans ce cas, les charges fractionnaires serviraient de qubit (l’unité de base d’un ordinateur quantique).

Une photo de l'équipe. De gauche à droite : Long Ju, postdoctorant Zhengguang Lu, visiteur de premier cycle Yuxuan Yao, étudiant diplômé Tonghang Hang. Crédit : Jixiang Yang

Faire des pas

Le même mois, Ju et son équipe ont également observé des signes de charge fractionnaire anormale dans le graphène, un matériau pour lequel il n'y avait aucune prédiction quant à un tel effet.

Le groupe de Ju a exploré le comportement électronique du graphène, qui présente à lui seul des propriétés exceptionnelles. Plus récemment, le groupe de Ju s'est penché sur le graphène pentacouche, une structure de cinq feuilles de graphène, chacune légèrement empilée les unes par rapport aux autres, comme des marches d'escalier.

Une telle structure de graphène pentacouche est intégrée dans gra

​n graphite et peut être obtenu par exfoliation à l'aide de scotch. Lorsqu'ils sont placés dans un réfrigérateur à des températures ultra-froides, les électrons de la structure ralentissent au point et interagissent d'une manière qu'ils ne feraient normalement pas lorsqu'ils tourbillonnaient à des températures plus élevées.

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont effectué quelques calculs et ont découvert que les électrons pourraient interagir encore plus fortement les uns avec les autres si la structure pentacouche était alignée avec du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau qui a une structure atomique similaire à celle du graphène, mais avec des dimensions légèrement différentes.

En combinaison, les deux matériaux devraient produire un super-réseau moiré, une structure atomique complexe ressemblant à un échafaudage qui pourrait ralentir les électrons de manière à imiter un champ magnétique.

"Nous avons fait ces calculs, puis nous avons pensé, allons-y", explique Ju, qui a installé l'été dernier un nouveau réfrigérateur à dilution dans son laboratoire du MIT, que l'équipe prévoyait d'utiliser pour refroidir les matériaux jusqu'à des températures ultra-basses, pour étudier le comportement électronique exotique.

Les chercheurs ont fabriqué deux échantillons de la structure hybride du graphène en exfoliant d’abord les couches de graphène d’un bloc de graphite, puis en utilisant des outils optiques pour identifier des flocons à cinq couches dans une configuration en escalier. Ils ont ensuite imprimé le flocon de graphène sur un flocon de hBN et placé un deuxième flocon de hBN sur la structure du graphène. Enfin, ils ont attaché des électrodes à la structure et l’ont placée au réfrigérateur, réglée à un niveau proche du zéro absolu.

En appliquant un courant au matériau et en mesurant la tension de sortie, ils ont commencé à voir des signatures de charge fractionnaire, où la tension est égale au courant multiplié par un nombre fractionnaire et certaines constantes physiques fondamentales.

"Le jour où nous l'avons vu, nous ne l'avons pas reconnu au début", explique le premier auteur, Lu. "Puis nous avons commencé à crier en réalisant que c'était vraiment énorme. C'était un moment complètement surprenant."

"C'était probablement les premiers échantillons sérieux que nous mettions dans le nouveau réfrigérateur", ajoute Han, co-premier auteur. "Une fois calmés, nous avons regardé en détail pour nous assurer que ce que nous voyions était réel."

Avec une analyse plus approfondie, l’équipe a confirmé que la structure du graphène présentait effectivement l’effet Hall anormal quantique fractionnaire. C’est la première fois que cet effet est observé dans le graphène.

"Le graphène peut également être un supraconducteur", explique Ju. "Ainsi, vous pourriez avoir deux effets totalement différents dans le même matériau, l'un à côté de l'autre. Si vous utilisez le graphène pour parler au graphène, cela évite de nombreux effets indésirables lors du pontage du graphène avec d'autres matériaux."

Pour l’instant, le groupe continue d’explorer le graphène multicouche pour d’autres états électroniques rares.

"Nous explorons de nombreuses idées et applications fondamentales en physique", dit-il. "Nous savons qu'il y en aura d'autres à venir."

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COMMENTAIRES

Pourquoi les électrons se comportent-ils comme s’ils n’avaient pas de masse ?

Oui, les électrons et les trous de faible énergie dans le graphène peuvent être considérés comme sans masse en raison de la dispersion linéaire de la structure de bande près des points K. Il s'agit d'une analogie avec la dispersion d'énergie relativiste E2=p2c2+m2c4, qui devient linéaire en impulsion pour m=0.

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More information: Long Ju, Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7

Journal information: Nature 

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