Une équipe internationale de physiciens des États-Unis et du Japon a mis en évidence une série d’états fractionnaires de l’effet Hall quantique qui apparaissent dans des piles de graphène à double couche. L’article de l’équipe a été publié dans le journal Nature Physics.
Un nouveau type de quasi-particule découvert dans la structure à double couche de graphène. Ce fermion dit composite est constitué d’un électron et de deux types différents de flux magnétique, illustrés par des flèches de couleur bleue et dorée sur la figure. Les fermions composites sont capables de former des paires, cette interaction unique a conduit à la découverte expérimentale de nouveaux phénomènes de Hall quantique inattendus. Crédit image : Michelle Miller & ; Jia Li, Université de Brown.
L’effet Hall apparaît lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau conducteur dans une direction perpendiculaire à un flux de courant. Le champ magnétique fait dévier le courant, créant une tension dans la direction transversale, appelée tension de Hall. L’intensité de la tension de Hall augmente avec l’intensité du champ magnétique.
La version quantique de l’effet Hall a été découverte pour la première fois lors d’expériences réalisées en 1980 à basse température et dans des champs magnétiques puissants.
Les expériences ont montré qu’au lieu d’augmenter de façon régulière avec l’intensité du champ magnétique, la tension de Hall augmente de façon progressive (ou quantifiée). Ces étapes sont des multiples entiers des constantes fondamentales de la nature et sont entièrement indépendantes de la composition physique du matériau utilisé dans les expériences.
Quelques années plus tard, des physiciens expérimentaux travaillant à des températures proches du zéro absolu et avec des champs magnétiques très puissants ont découvert de nouveaux types d’états de Hall quantiques dans lesquels les étapes quantiques de la tension de Hall correspondent à des nombres fractionnaires, d’où le nom d’effet de Hall quantique fractionnaire.
Les théoriciens ont ensuite avancé que l’effet Hall quantique fractionnel était lié à la formation de quasi-particules appelées fermions composites. Dans cet état, chaque électron se combine avec un quantum de flux magnétique pour former un fermion composite portant une fraction de charge électronique, ce qui donne lieu aux valeurs fractionnaires de la tension de Hall.
La théorie du fermion composite a permis d’expliquer une myriade de phénomènes observés dans les systèmes de puits quantiques simples.
La nouvelle recherche, menée par des physiciens de l’Université de Brown, de l’Université de Columbia et de l’Institut national des sciences des matériaux du Japon, a utilisé du graphène double couche pour étudier ce qui se passe lorsque deux puits quantiques sont rapprochés.
La théorie avait suggéré que l’interaction entre deux couches conduirait à un nouveau type de fermion composite, mais cela n’avait jamais été observé en expérience.
Pour les expériences, l’équipe a créé des dispositifs ultra-propres entièrement à partir de matériaux 2D atomiquement plats.
Le cœur de la structure est constitué de deux couches de graphène séparées par une fine couche de nitrure de bore hexagonal servant de barrière isolante. La structure à double couche est encapsulée par du nitrure de bore hexagonal comme isolant protecteur, et du graphite comme grille conductrice pour modifier la densité des porteurs de charge dans le canal.
Les structures de graphène ont ensuite été exposées à des champs magnétiques puissants – des millions de fois plus puissants que le champ magnétique terrestre.
Les scientifiques ont produit une gamme d’états de Hall quantique fractionnels, dont certains montrent un excellent accord avec le modèle de fermion composite, et d’autres qui n’avaient jamais été prédits ou vus.
“En dehors des fermions composites intercouches, nous avons observé d’autres caractéristiques qui ne peuvent pas être expliquées dans le cadre du modèle de fermions composites”, a déclaré le Dr Qianhui Shi, chercheur postdoctoral à l’Université Columbia.
“Une étude plus approfondie a révélé que, à notre grande surprise, ces nouveaux états résultent de l’appariement entre fermions composites. L’interaction d’appariement entre les couches adjacentes et au sein d’une même couche donne lieu à une variété de nouveaux phénomènes quantiques, ce qui fait du graphène double couche une plateforme passionnante à étudier.”
