Les électrons balistiques comptent parmi les phénomènes les plus fascinants des matériaux quantiques modernes. Contrairement aux électrons ordinaires, ils ne dissipent pas les imperfections du matériau et voyagent donc de A à B sans pratiquement aucune résistance, comme une capsule dans un tube pneumatique. Ce comportement se produit souvent dans des matériaux confinés à une ou deux dimensions.
Des chercheurs du Forschungszentrum Jülich et de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle ont développé un modèle capable de détecter ce flux distinct d’électrons dans des conditions réalistes. Le travail a été publié sous forme de suggestion de la rédaction dans la revue Lettres d'examen physique.
Les canaux électroniques balistiques qui se forment le long des bords de matériaux topologiques bidimensionnels sont considérés comme très prometteurs pour l'électronique du futur : ils pourraient constituer la base de circuits économes en énergie et d'ordinateurs quantiques dotés de qubits robustes.
La nouvelle approche s'appuie sur la théorie du transport de charges balistiques développée par Rolf Landauer il y a plusieurs décennies. Cependant, son modèle classique ne décrit qu’un cas idéalisé : Landauer suppose que les électrons ne peuvent entrer ou sortir d’un tel canal qu’à ses extrémités.
Le nouveau modèle de Jülich va cependant encore plus loin. Elle considère qu'un tel canal de charge balistique n'existe pas isolément mais forme la bordure d'un matériau également conducteur à travers lequel le courant est injecté. Les électrons peuvent donc entrer ou sortir sur toute la longueur du canal.
« Cela nous permet de décrire pour la première fois le comportement de ces canaux périphériques d'une manière qui reflète ce qui se passe réellement dans les expériences », explique le premier auteur, le Dr Kristof Moors.
« Notre théorie fournit également des signatures distinctes qui peuvent être utilisées pour identifier le flux de courant balistique sans perte et le distinguer du transport de charge conventionnel », explique Moors, qui a rejoint le centre de recherche en nanoélectronique Imec à Louvain, en Belgique, après sa bourse postdoctorale à l'Institut Peter Grünberg (PGI-9) à Juliers.
Le modèle montre que le flux de courant à travers le matériau bidimensionnel change fondamentalement en raison de la présence d'un canal balistique. Il prédit les distributions de tension caractéristiques qui peuvent être directement observées avec des sondes nanométriques ou des microscopes à effet tunnel à balayage multi-pointes. Cela permet de distinguer expérimentalement les courants balistiques et dissipatifs, c’est-à-dire avec perte, une étape cruciale pour prouver hors de tout doute l’existence de ces canaux de conduction exotiques et les exploiter pour de futurs dispositifs.
