Révolution quantique : redéfinir la physique avec des charges fractionnaires

La mécanique quantique nous dit que l’unité fondamentale de charge est incassable – mais il existe des exceptions.

Une équipe de recherche dirigée par l’Institut Paul Scherrer a observé par spectroscopie le fractionnement de la charge électronique dans un ferromagnétique métallique à base de fer. L’observation expérimentale du phénomène n’est pas seulement d’une importance fondamentale. Puisqu’il apparaît dans un alliage de métaux communs à des températures accessibles, il recèle un potentiel d’exploitation future dans les appareils électroniques. La découverte est publiée dans la revue Nature.

La mécanique quantique de base nous dit que l’unité fondamentale de charge est incassable : la charge électronique est quantifiée. Pourtant, nous avons compris qu’il existe des exceptions. Dans certaines situations, les électrons s’organisent collectivement comme s’ils étaient divisés en entités indépendantes, chacune possédant une fraction de la charge.

Le fait que la charge puisse être fractionnée n’est pas nouveau : cela a été observé expérimentalement depuis la fin des années 1980 avec l’effet Hall quantique fractionné. En cela, on observe que la conductance d’un système dans lequel les électrons sont confinés dans un plan bidimensionnel est quantifiée en unités de charge fractionnaires – plutôt qu’entières.

L’effet Hall fournit une mesure indirecte du fractionnement des charges, à travers une manifestation macroscopique du phénomène : la tension. En tant que tel, il ne révèle pas le comportement microscopique – la dynamique – des charges fractionnaires. L’équipe de recherche, une collaboration entre des institutions suisses et chinoises, a maintenant révélé une telle dynamique grâce à la spectroscopie des électrons émis par un ferromagnétique lorsqu’il est éclairé par un laser.

Pousser les électrons vers un comportement étrange

Pour fractionner les charges, vous devez emmener les électrons dans un endroit étrange où ils ne suivent plus les règles normales. Dans les métaux conventionnels, les électrons se déplacent généralement à travers le matériau, s’ignorant généralement, à l’exception de quelques bosses occasionnelles. Ils possèdent une gamme d’énergies différentes. Les niveaux d’énergie dans lesquels ils se trouvent sont décrits comme des « bandes dispersives », où l’énergie cinétique des électrons dépend de leur impulsion.

Dans certains matériaux, certaines conditions extrêmes peuvent pousser les électrons à interagir et à se comporter collectivement. Les bandes plates sont des régions de la structure électronique d’un matériau où les électrons se trouvent tous dans le même état énergétique, c’est à dire, où ils ont des masses efficaces presque infinies. Ici, les électrons sont trop lourds pour s’échapper et de fortes interactions règnent entre les électrons. Rares et recherchées, les bandes plates peuvent conduire à des phénomènes tels que des formes exotiques de magnétisme ou des phases topologiques telles que les états Hall quantiques fractionnaires.

Pour observer l’effet Hall quantique fractionné, des champs magnétiques puissants et des températures très basses sont appliqués, qui suppriment l’énergie cinétique des électrons et favorisent de fortes interactions et un comportement collectif.

L’équipe de recherche pourrait y parvenir d’une manière différente, sans application d’un champ magnétique puissant : en créant une structure en réseau qui réduit les énergies cinétiques des électrons et leur permet d’interagir. Un tel treillis est le tapis japonais « kagome » en bambou tissé, qui caractérise les couches atomiques d’un nombre étonnamment élevé de composés chimiques. Ils ont fait leur découverte à Fe₃Sn₂un composé constitué uniquement des éléments communs fer (Fe) et étain (Sn) assemblés selon le modèle kagome de triangles de partage de coins.

Le laser ARPES permet de regarder de plus près

Les chercheurs n’ont pas cherché à observer le fractionnement des charges dans le kagome Fe.₃Sn₂. Au lieu de cela, ils souhaitaient simplement vérifier si des bandes plates existaient comme prévu pour ce matériau ferromagnétique.

Grâce à la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire laser (laser ARPES) de l’Université de Genève avec un très petit diamètre de faisceau, ils ont pu sonder la structure électronique locale du matériau à une résolution sans précédent.

« La structure du groupe à Kagome Fe₃Sn₂ est différent selon le domaine ferromagnétique que vous sondez. Nous voulions voir si, grâce au faisceau micro-focalisé, nous pouvions détecter des inhomogénéités dans la structure électronique corrélées à des domaines qui avaient été précédemment manqués», explique Sandy Ekahana, chercheuse postdoctorale dans le groupe Technologie quantique au PSI et premier auteur de l’étude. étude.

Poches d’électrons et bandes de collision

En se concentrant sur certains domaines cristallins, l’équipe a identifié une caractéristique connue sous le nom de poches d’électrons. Il s’agit de régions dans l’espace d’impulsion de la structure de bande électronique d’un matériau où l’énergie des électrons est au minimum, formant ainsi des poches où les électrons « traînent ». Ici, les électrons se comportent comme des excitations collectives, ou quasi-particules.

En les examinant de près, les chercheurs ont détecté des caractéristiques étranges dans la structure de la bande électronique qui n’étaient pas entièrement expliquées par la théorie. Les mesures laser ARPES ont révélé une bande dispersive qui ne correspondait pas aux calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), l’une des méthodes les plus établies pour étudier les interactions et les comportements électroniques dans les matériaux. « Il arrive très souvent que le DFT ne corresponde pas tout à fait. Mais d’un seul point de vue expérimental, ce groupe était extrêmement particulier. C’était extrêmement tranchant, mais ensuite ça s’est soudainement coupé. Ce n’est pas normal, les bandes sont généralement continues», explique Yona Soh, scientifique au PSI et auteur correspondant de l’étude.

Les chercheurs se sont rendu compte qu’ils observaient une bande dispersive interagissant avec une bande plate, prédite par des collègues de l’EPFL. L’observation d’une bande plate interagissant avec une bande dispersive est en elle-même d’un grand intérêt : on pense que l’interaction entre les bandes plates et dispersives permet l’émergence de nouvelles phases de la matière, comme les métaux « marginaux » où les électrons ne voyagent pas beaucoup plus loin que leur longueur d’onde quantique et leurs supraconducteurs particuliers.

« Il y a eu de nombreuses discussions théoriques sur l’interaction entre les bandes plates et dispersives, mais c’est la première fois qu’une nouvelle bande provoquée par cette interaction est découverte spectroscopiquement », explique Soh.

Le comportement étrange des électrons devient encore plus étrange : fractionnement de la charge

Les conséquences de cette observation sont encore plus profondes. Là où les deux groupes se rencontrent, ils s’hybrident pour former un nouveau groupe. La bande dispersive originale est occupée. La bande plate est inoccupée car elle se situe au-dessus du niveau de Fermi – un concept qui décrit la coupure entre les niveaux d’énergie occupés et inoccupés. Lorsque la nouvelle bande est créée, la charge est partagée entre la bande dispersive d’origine et la nouvelle bande. Cela signifie que chaque bande ne contient qu’une fraction de la charge.

De cette manière, les mesures réalisées par Ekahana et ses collègues fournissent une observation spectroscopique directe du fractionnement des charges.

« Atteindre et observer des états dans lesquels la charge est fractionnée n’est pas seulement passionnant du point de vue de la recherche fondamentale », déclare Gabriel Aeppli, directeur du photon division scientifique du PSI et professeur à l’EPFL et à l’ETH Zurich, qui a proposé l’étude. «Nous observons cela dans un alliage de métaux communs à des températures basses mais néanmoins relativement accessibles. Cela vaut la peine de se demander s’il existe des appareils électroniques susceptibles d’exploiter le fractionnement.