La Russie met au point une nouvelle technique capable de détecter les cellules cancéreuses dans le sangUne collaboration entre des chercheurs de l’université de Harvard (États-Unis) et du MIT a permis d’observer pour la première fois l’état fractionnaire exotique du graphène bicouche torsadé sous un faible champ magnétique. L’étude, publiée dans le 15e numéro de Nature, ouvre la voie aux futurs dispositifs et applications quantiques.
Les particules et les phénomènes quantiques exotiques ne peuvent se produire que dans les conditions les plus extrêmes. En d’autres termes, des températures extrêmement basses ou des champs magnétiques extrêmement élevés doivent être présents. De nombreuses recherches ont été menées sur la supraconductivité à température ambiante, mais la génération de particules exotiques chargées de manière fractionnée dans des champs magnétiques faibles à nuls est tout aussi importante pour les futurs matériaux et applications quantiques, notamment les nouveaux types d’informatique quantique.
L’un des objectifs du domaine de la physique de la matière condensée est d’obtenir des particules exotiques avec des champs magnétiques aussi faibles que zéro », a déclaré Amir Yacobi, auteur principal de l’étude et professeur de physique et de physique appliquée à l’école d’ingénierie et de sciences appliquées de l’université Harvard. Certaines théories prédisent que nous devrions être en mesure de voir ces particules exotiques avec des champs magnétiques faibles ou nuls, mais personne n’a encore pu l’observer. »
Les chercheurs ont commencé par un état quantique spécial connu sous le nom d' »isolant fractionnaire de Chen ». Les isolants de Chen sont des isolants topologiques, ce qui signifie qu’ils sont conducteurs à la surface ou sur les bords, mais pas au milieu. Dans les isolants fractionnels de Chen, les électrons interagissent pour former ce que l’on appelle des quasi-particules, qui sont des particules issues des interactions complexes entre un grand nombre d’autres particules. Comme les particules élémentaires, les quasi-particules ont des propriétés bien définies, comme la masse et la charge.
Dans les isolants fractionnels de Chen, les interactions entre les électrons au sein du matériau sont si fortes que les quasi-particules sont obligées de porter une fraction de leur charge électronique normale. Ces particules fractionnaires ont des propriétés quantiques particulières et peuvent être utilisées pour créer de puissants bits quantiques extrêmement résistants aux interférences externes.
Pour construire l’isolant, les chercheurs ont utilisé deux feuilles de graphène, qui ont été torsadées ensemble selon un angle dit « magique ». La torsion a révélé des propriétés nouvelles et différentes du graphène, notamment la supraconductivité, ainsi que des états connus sous le nom de « bandes d’énergie stale », qui ont un grand potentiel pour générer des états quantiques fractionnaires.
Selon les chercheurs, ces bandes d’énergie stagnantes sont comme des seaux remplis d’électrons. Pour produire les états fractionnaires, les chercheurs doivent remplir d’électrons une petite partie du « seau ». Mais ce n’est que lorsque tous les électrons du seau doivent avoir des propriétés presque identiques, et que la courbure de Berry des électrons devient uniforme, que les états de rassissement fractionnés peuvent apparaître. Pour ce faire, les chercheurs ont ajouté un très petit champ magnétique afin de répartir uniformément la courbure de Berry entre les électrons, ce qui a permis d’observer des isolants Chen fractionnés dans la bicouche torsadée de graphène.
La découverte d’isolants fractionnels de Chen à faible champ magnétique dans du graphène bicouche torsadé à angle magique ouvre un nouveau chapitre dans le domaine de la matière quantique topologique, indiquent les chercheurs. Elle offre la perspective réaliste de coupler ces états exotiques à la supraconductivité, ce qui permettrait de créer et de contrôler des quasi-particules topologiques encore plus exotiques, également appelées « arbitres ».
