Les électrons des systèmes bidimensionnels (2D) placés sous des champs magnétiques puissants se comportent souvent de manière unique, provoquant l’émergence de ce que l’on appelle les liquides Hall quantiques fractionnaires. Il s'agit d'états exotiques de la matière dans lesquels les électrons se comportent collectivement et forment de nouvelles quasiparticules ne portant qu'une fraction de la charge d'un électron et obéissant à des statistiques quantiques inhabituelles.
Dans les années 1990, les physiciens ont introduit une théorie connue sous le nom de théorie chirale des liquides de Luttinger, qui décrit les mouvements collectifs de ces excitations fractionnaires se déplaçant dans des canaux 1D le long de la limite des états Hall quantiques fractionnaires 2D. Néanmoins, les résultats expérimentaux passés n’étaient pas toujours conformes aux prédictions théoriques.
Des chercheurs de l’Université Purdue ont récemment mené une étude visant à tester davantage certaines des prédictions de la théorie chirale des liquides de Luttinger en mesurant l’effet tunnel entre les modes de bord 1D dans un dispositif dans lequel émerge un état liquide Hall quantique fractionnaire. Leur article, publié dans Physique naturelleoffre une preuve expérimentale directe de l'effet tunnel Anyon universel pour l'état Hall quantique fractionnaire n = 1/3, confirmant les prédictions théoriques faites par X. -G. Wen et collaborateurs au début des années 1990.
« Depuis plusieurs années maintenant, mon groupe utilise les interféromètres Fabry-Pérot pour mesurer les statistiques de charge fractionnée et de tressage anyon dans le régime quantique fractionnaire de Hall », a déclaré Michael Manfra, auteur principal de l'article, à Issues.fr.
« Les contacts ponctuels quantiques sont les « séparateurs de faisceaux » dans un interféromètre électronique Fabry-Perot. Nous avons commencé à réfléchir à ce que nous pourrions mesurer d'autre avec ces appareils. Il s'avère que les modes de bord circulant autour de la frontière d'un état à effet Hall quantique fractionnaire sont mieux décrits comme un « liquide chiral de Luttinger » – un liquide électronique unidimensionnel à forte interaction théoriquement compris pour la première fois par le théoricien X.-G Wen. «
Les liquides chiraux Luttinger possèdent diverses propriétés inhabituelles qui les distinguent des liquides Fermi bien connus. L'un des plus remarquables est que, alors que dans les résistances ohmiques normales, le courant augmente linéairement par rapport à la tension appliquée, dans un liquide chiral de Luttinger, le lien entre le courant et la tension est non linéaire et est décrit par ce qu'on appelle la loi de puissance.
« L'une des prédictions de la théorie chirale des liquides de Luttinger de Wen concernait l'effet tunnel entre deux modes de bord contre-propagation », a expliqué Manfra. « Il a prédit que pour un liquide chiral de Luttinger associé à un état Hall quantique fractionnaire avec un facteur de remplissage n = 1/3, la conductance tunnel devrait être décrite par un exposant d'échelle g = n = 1/3 lorsque deux modes de bord contra-propagation sont rapprochés. «
Alors que la théorie chirale des liquides de Luttinger remonte au début des années 1990, les expériences menées depuis n’ont pas permis de confirmer de manière concluante ses prédictions. Manfra et ses collègues ont tenté de combler cette lacune dans la littérature en mesurant le tunneling dans une hétérostructure nouvellement conçue.
« Notre idée était que notre nouvelle conception d'hétérostructure pourrait surmonter un défi majeur en démontrant les propriétés chirales du liquide de Luttinger, à savoir le confinement en mode bord doux qui conduit à une reconstruction des bords et à un comportement non idéal », a déclaré Manfra.
« Notre conception s'est avérée cruciale pour la démonstration des statistiques de tressage anyonique, nous avons donc pensé qu'elle pourrait également aider dans les expériences de tunneling en mode bord. Nous avons pensé qu'il était temps de revisiter ce problème avec de nouveaux matériaux en main. Ce n'était qu'une spéculation il y a un an, mais cela s'est avéré être une bonne supposition. »
Pour mener leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un contact ponctuel quantique, une structure composée de deux portes métalliques étroites distantes de 300 nm l’une de l’autre. Cette structure leur a permis de rapprocher deux modes de contre-propagation de l’état Hall quantique fractionnaire n = 1/3.
« Lorsque cela est fait, n'importe qui peut passer d'un bord à l'autre, générant un courant tunnel que nous pouvons mesurer avec des amplificateurs sensibles », a expliqué Manfra. « En étudiant la dépendance de la conductance tunnel en termes de tension et de champ magnétique, nous avons pu établir que l'exposant d'échelle est g = 1/3, comme le prédit la théorie chirale des liquides de Luttinger de Wen. Ces expériences nous ont obligés à mesurer de très petits courants (~ 1 picoAmp) à des températures milliKelvin et à un champ magnétique élevé (B ~ 10 Tesla). «
Les chercheurs ont effectué leurs mesures dans un réfrigérateur à dilution, un dispositif de refroidissement spécial pouvant atteindre des températures extrêmement basses et spécialement configuré pour les besoins de leur étude. Une caractéristique unique des échantillons qu'ils ont utilisés est qu'ils ont suivi une nouvelle conception d'hétérostructure à « puits de dépistage ». Cette conception conduit finalement à un confinement à arêtes vives, rendant les propriétés chirales du liquide de Luttinger observables expérimentalement.
« Avec cette expérience, nous avons démontré que l'ordre topologique responsable de la quantification de l'état Hall quantique fractionnaire global peut être complètement déterminé à l'aide d'un dispositif Fabry-Pérot », a déclaré Manfra. « Nous avons maintenant mesuré les statistiques d'exposant de mise à l'échelle, de charge anyonique et de tressage anyonique sur une seule plate-forme de périphérique. Cela spécifie complètement l'ordre topologique à n = 1/3. »
Cette étude récente a ouvert de nouvelles possibilités pour l’étude des liquides Hall quantiques fractionnaires et pour tester des prédictions théoriques qui n’ont pas encore été validées de manière concluante. À l’avenir, Manfra et ses collègues espèrent utiliser les mêmes méthodes expérimentales pour étudier d’autres états intéressants, tels que l’état putatif non-abélien à n = 5/2.
« J'espère que l'architecture de notre dispositif sera appliquée à d'autres systèmes matériels intéressants pour explorer des états introuvables dans les hétérostructures à base de GaAs étudiées dans notre expérience », a ajouté Manfra. « Ce serait cool si la communauté des matériaux 2D ou la communauté des liquides de spin quantique exploitait les concepts décrits dans notre article. En fait, nous voyons déjà cela se produire dans le graphène. De belles expériences d'interférence et de tunneling sont maintenant en cours dans le graphène dans les groupes d'Andrea Young à l'UCSB et de Philip Kim à Harvard. «
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
