Si un côté d'un matériau conducteur ou semi-conducteur est chauffé tandis que l'autre reste frais, les porteurs de charge se déplacent du côté chaud vers le côté froid, générant une tension électrique connue sous le nom de thermopower.
Des études antérieures ont montré que la thermopower produite dans des systèmes électroniques bidimensionnels (2D) propres (c.-à-d. Les matériaux avec peu d'impuretés dans lesquels les électrons ne peuvent se déplacer en 2D), est directement proportionnel à l'entropie (c'est-à-dire le degré d'aléatoire) par porte-charge.
Le lien entre la thermopower et l'entropie pourrait être exploité pour sonder les phases quantiques exotiques de la matière. L'une de ces phases est l'effet fractionnel de la salle quantique (FQH), qui est connu pour se produire lorsque les électrons de ces matériaux sont soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire à des températures très basses.
Des chercheurs de l'Université George Mason, ainsi que des collaborateurs de l'Université Brown et du National Institute of Standards and Technology (NIST), ont récemment montré que les États FQH pouvaient être mieux détectés en utilisant des mesures de thermopower qu'avec la résistivité électrique conventionnelle.
Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'étude précise des phases quantiques fortement en interaction de la matière, en particulier les états FQH dans le graphène bicouche.
« Certains états FQH peuvent prendre en charge de nouvelles particules qui peuvent servir de blocs de construction pour les ordinateurs quantiques topologiques, » Fereshte Ghahari, auteur principal du journal, a déclaré à Issues.fr.
Des études antérieures visant à détecter et à mieux comprendre les états FQH dans le graphène bicouche (c'est-à-dire un matériau composé de deux couches d'atomes de carbone disposés dans une structure empilée spécifique) ne reposait que sur des mesures de résistivité d'un matériau, ou, en d'autres termes, la résistance avec laquelle un matériau s'oppose à l'écoulement du courant électrique.
Dans le cadre de leur étude récente, Ghahari et leurs collègues ont décidé d'explorer plutôt le potentiel des mesures thermiques pour étudier ces états quantiques.
« Ces mesures nous permettent finalement d'accéder à l'entropie effectuée par des particules qui peuvent faire la lumière sur les propriétés de ces nouvelles particules et si elles peuvent être utilisées dans de futurs ordinateurs quantiques topologiques, » a expliqué Ghahari.
« Pour mesurer l'entropie, nous avons utilisé une technique à base de thermopower. La thermopower est un effet où un matériau crée de l'électricité à partir de la chaleur. Lorsqu'un côté d'un matériau devient chaud et que l'autre reste frais, la chaleur fait que les porteurs de charge se déplacent du côté chaud au côté froid, créant une petite tension à travers le matériau.
« Il s'avère qu'en mesurant cette tension (c.-à-d. Thermopower), on peut mesurer l'entropie du système, une quantité thermodynamique. »
En effectuant des mesures de thermopower dans le graphène bicouche à empilement bernal, les chercheurs ont pu détecter des états FQH fragiles avec une plus grande sensibilité que celle précédemment atteinte à l'aide de mesures de résistivité. Étonnamment, de nouveaux états FQH sont apparus dans le signal thermopower qui n'avait pas été signalé auparavant.
Leur étude démontre ainsi le potentiel des techniques à base de thermopower appliquées au graphène bicouche pour étudier ces phases quantiques en interaction fortement en interaction, qui pourraient finalement être exploitées pour créer de nouvelles technologies quantiques.
« Dans l'ensemble, nos résultats révèlent les capacités uniques des mesures de la thermopon, introduisant une nouvelle plate-forme pour les recherches expérimentales et théoriques des états corrélés et topologiques dans les systèmes de graphène, y compris les matériaux Moiré, » Ajout de Ghahari.
