Des physiciens découvrent de nouveaux phénomènes dans les effets Hall quantiques fractionnaires

Imaginez un monde plat en deux dimensions, au lieu de notre monde en trois dimensions, où les règles de la physique seraient inversées et où des particules comme les électrons défieraient les attentes pour révéler de nouveaux secrets. C’est exactement ce qu’une équipe de chercheurs, dont le professeur de physique de l’université d’État de Géorgie Ramesh G. Mani et le récent titulaire d’un doctorat U. Kushan Wijewardena, ont étudié dans les laboratoires de l’université.

Leurs études ont abouti à une découverte récemment publiée dans la revue Physique des communicationsL’équipe a étudié le monde énigmatique des effets Hall quantiques fractionnaires (FQHE), découvrant des phénomènes nouveaux et inattendus lorsque ces systèmes sont sondés de nouvelles manières et poussés au-delà de leurs limites habituelles.

« La recherche sur les effets Hall quantiques fractionnaires est depuis des décennies un axe majeur de la physique moderne de la matière condensée, car les particules de la surface plane peuvent avoir plusieurs personnalités et peuvent présenter une personnalité dépendante du contexte à la demande », a déclaré Mani. « Nos dernières découvertes repoussent les limites de ce domaine, offrant de nouvelles perspectives sur ces systèmes complexes. »

L’effet Hall quantique est un domaine dynamique et essentiel de la physique de la matière condensée depuis 1980, lorsque Klaus von Klitzing a annoncé sa découverte selon laquelle une simple mesure électrique pouvait donner des valeurs très précises pour certaines constantes fondamentales qui déterminent le comportement de notre univers. Cette découverte lui a valu un prix Nobel en 1985.

En 1998, un prix Nobel a été décerné pour la découverte et la compréhension de l’effet Hall quantique fractionnaire, qui suggérait que les particules plates pouvaient avoir des charges fractionnaires. Le voyage s’est poursuivi avec la découverte du graphène, un matériau qui a montré la possibilité d’électrons sans masse dans les particules plates, ce qui a conduit à un autre prix Nobel en 2010.

Enfin, les théories sur les nouvelles phases de la matière, liées à l’effet Hall quantique, ont été récompensées par un prix Nobel en 2016.

La physique de la matière condensée a donné lieu à des découvertes qui ont rendu possibles l’électronique moderne comme les téléphones portables, les ordinateurs, les GPS, l’éclairage LED, les cellules solaires et même les voitures autonomes. La science des terrains plats et les matériaux des terrains plats sont désormais étudiés en physique de la matière condensée dans le but de réaliser des appareils électroniques du futur plus économes en énergie, plus flexibles, plus rapides et plus légers, notamment de nouveaux capteurs, des cellules solaires à plus haut rendement, des ordinateurs quantiques et des ordinateurs quantiques topologiques.

Dans une série d’expériences dans des conditions de froid extrême, proches de -273 °C (-459 °F) et sous un champ magnétique près de 100 000 fois plus fort que celui de la Terre, Mani, Wijewardena et leurs collègues se sont mis au travail. Ils ont appliqué un courant supplémentaire à des dispositifs semi-conducteurs à haute mobilité fabriqués à partir d’une structure sandwich de matériaux en arséniure de gallium (GaAs) et en arséniure de gallium et d’aluminium (AlGaAs), ce qui permet de réaliser des électrons dans un champ plat.

Ils ont observé que tous les états FQHE se divisaient de manière inattendue, suivis de croisements de branches divisées, ce qui leur a permis d’explorer les nouveaux états de non-équilibre de ces systèmes quantiques et de révéler des états de matière entièrement nouveaux.

L’étude souligne le rôle crucial des cristaux de haute qualité, produits à l’École polytechnique fédérale de Zurich par le professeur Werner Wegscheider et le Dr Christian Reichl, dans le succès de cette recherche.

« L’étude traditionnelle des effets Hall quantiques fractionnaires peut être comparée à l’exploration du rez-de-chaussée d’un bâtiment », explique Mani. « Notre étude consiste à rechercher et à découvrir les étages supérieurs – ces niveaux passionnants et inexplorés – et à découvrir à quoi ils ressemblent. Étonnamment, grâce à une technique simple, nous avons pu accéder à ces étages supérieurs et découvrir des signatures complexes des états excités. »

Wijewardena, qui a obtenu son doctorat en physique à l’Université d’État de Géorgie l’année dernière et est maintenant membre du corps professoral du Georgia College and State University à Milledgeville, a exprimé son enthousiasme pour leur travail.

« Nous travaillons sur ces phénomènes depuis de nombreuses années, mais c’est la première fois que nous rapportons ces résultats expérimentaux sur l’obtention d’états excités d’états Hall quantiques fractionnaires induits par l’application d’une polarisation à courant continu », a déclaré Wijewardena. « Les résultats sont fascinants, et il nous a fallu un certain temps pour avoir une explication réalisable de nos observations. »

L’étude remet non seulement en cause les théories existantes, mais suggère également une origine hybride pour les FQHE observés dans les états excités hors équilibre. Cette approche innovante et les résultats inattendus soulignent le potentiel de nouvelles découvertes dans le domaine de la physique de la matière condensée, inspirant de futures recherches et avancées technologiques.

Les conclusions de l’équipe vont bien au-delà du laboratoire et laissent entrevoir des perspectives potentielles pour l’informatique quantique et la science des matériaux. En explorant ces territoires inexplorés, ces chercheurs posent les bases – et forment de nouvelles générations d’étudiants – des technologies futures qui pourraient révolutionner tout, du traitement des données à l’efficacité énergétique, tout en dynamisant l’économie de haute technologie.

Mani, Wijewardena et leur équipe étendent désormais leurs études à des conditions encore plus extrêmes, en explorant de nouvelles méthodes pour mesurer les paramètres complexes des plaines. Au fur et à mesure de leurs avancées, ils prévoient de découvrir de nouvelles nuances dans ces systèmes quantiques, apportant ainsi des informations précieuses à ce domaine. À chaque expérience, l’équipe se rapproche de la compréhension des comportements complexes en jeu, tout en restant ouverte à la possibilité de nouvelles découvertes en cours de route.