La recherche en physique des matériaux a récemment été captivée par un phénomène étrange où les électrons se divisent en parties de leurs charges dans le graphène. Cette découverte remet en question nos connaissances fondamentales sur les comportements électroniques et pourrait influencer le développement de futurs dispositifs quantiques. Comment ces fragments électroniques émergent-ils sans avoir recours à un champ magnétique, et quelles sont les implications pour la science des matériaux ?
Les physiciens du MIT ont franchi une étape décisive vers la résolution de l’énigme du fractionnement électronique. Leur solution met en lumière les conditions permettant l’émergence d’états électroniques exotiques dans le graphène et d’autres systèmes bidimensionnels.
L’étude récente tente d’expliquer une découverte rapportée plus tôt cette année par un autre groupe de physiciens du MIT, dirigé par le professeur adjoint Long Ju. Ju et son équipe ont observé que les électrons semblent montrer un «charge fractionnée» en graphène à cinq couches, une configuration composée de cinq couches de graphène superposées sur une feuille de nitrure de bore de structure similaire.
Ju a découvert que lorsqu’un courant électrique traversait la structure à cinq couches, les électrons semblaient passer sous forme de fractions de leur charge totale, même en l’absence de champ magnétique. Les scientifiques avaient déjà démontré que les électrons pouvaient se diviser en fractions sous l’influence d’un champ magnétique très puissant, connu sous le nom d’effet Hall quantique fractionnaire. Les travaux de Ju ont été les premiers à prouver que cet effet était possible dans le graphène sans champ magnétique, un phénomène inattendu jusqu’à récemment.
L’effet Hall quantique anormal Fractional Anomalous
Ce phénomène a été appelé « effet Hall quantique anormal fractionnaire », et les théoriciens ont cherché à expliquer comment une charge fractionnaire peut émerger du graphène à cinq couches.
La nouvelle étude, dirigée par Senthil Todadri, professeur de physique au MIT, apporte une partie de la réponse. Grâce à des calculs d’interactions de mécanique quantique, lui et ses collègues montrent que les électrons forment une sorte de structure cristalline dont les propriétés sont idéales pour permettre l’émergence de fractions électroniques.
« Il s’agit d’un mécanisme entièrement nouveau, ce qui signifie qu’au cours des décennies d’histoire, les gens n’ont jamais eu de système pilotant ces phénomènes électroniques fractionnaires. », a déclaré Senthil Todadri. Il a ajouté : « C’est vraiment excitant car cela rend possible toutes sortes de nouvelles expériences dont on ne pouvait que rêver auparavant. »
Un nouveau cadre théorique
L’étude du MIT a été publiée la semaine dernière dans la revue Physical Review Letters. Deux autres équipes de recherche, l’une de l’Université Johns Hopkins et l’autre de Harvard, de l’Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory, ont publié des résultats similaires dans le même numéro. L’équipe du MIT comprend Zhihuan Dong, PhD ’24, et l’ancien postdoctorant Adarsh Patri.
En 2018, Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique au MIT, et ses collègues ont été les premiers à observer que de nouveaux comportements électroniques pouvaient émerger en empilant et en tordant deux feuilles de graphène. Ce “graphène angle magique», comme on l’a rapidement connu, a déclenché un nouveau domaine de recherche appelé twistronique, l’étude du comportement électronique dans des matériaux bidimensionnels torsadés.
« Peu de - après ses expériences, nous avons réalisé que ces systèmes de moiré seraient des plateformes idéales en général pour trouver les conditions permettant l’émergence de ces phases électroniques fractionnaires. », a expliqué le professeur Todadri, qui a collaboré avec Jarillo-Herrero à une étude la même année pour montrer qu’en théorie, de tels systèmes torsadés pourraient présenter une charge fractionnée sans champ magnétique.
Surprises expérimentales
En septembre 2023, Todadri a eu une conversation via Zoom avec Ju, qui connaissait ses travaux théoriques et avait maintenu le contact grâce à ses propres recherches expérimentales. Ju lui a montré des données dans lesquelles il avait observé ces fractions électroniques dans du graphène à cinq couches, ce qui était une grande surprise car cela ne correspondait pas aux prédictions initiales.
Dans son article de 2018, Todadri prédisait qu’une charge fractionnaire devrait émerger d’une phase précurseur caractérisée par une torsion particulière dans la fonction d’onde électronique. Il avait émis l’hypothèse que les propriétés quantiques d’un électron devraient avoir une certaine torsion, ou un certain degré de manipulation possible sans changer sa structure inhérente. Cette torsion, prédit-il, devrait augmenter avec le nombre de couches de graphène ajoutées à une structure moirée donnée.
« Pour le graphène à cinq couches, nous pensions que la fonction d’onde se tordrait cinq fois et que cela serait un précurseur des fractions électroniques. “, a déclaré Todadri. «Mais il a fait ses expériences et a découvert que cela se tordait, mais une seule fois. Cela soulève alors une grande question : comment devrions-nous penser à ce que nous voyons ? »
Légende de l’illustration : Un cristal de nuage d’électrons pourrait expliquer la charge fractionnaire déroutante récemment découverte dans le graphène multicouche.
Article : « Théorie des phases Hall anormales quantiques dans les structures pentacouches rhomboédriques de graphène moiré » – DOI : 1721.1/157541
Source : MIT
