Des expériences montrent que les bords ne sont pas nécessaires pour réaliser un effet quantique inhabituel.

18 avril 2023

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par RIKEN

Les physiciens de RIKEN ont créé pour la première fois un état quantique exotique dans un dispositif de géométrie en forme de disque, démontrant que les bords ne sont pas nécessaires. Cette démonstration ouvre la voie à la réalisation d'autres comportements électroniques novateurs. Leurs résultats sont publiés dans Nature Physics.

La physique s'est depuis longtemps déplacée des trois états classiques de la matière : solide, liquide et gaz. Une meilleure compréhension théorique des effets quantiques dans les cristaux et le développement d'outils expérimentaux avancés pour les sonder et les mesurer ont révélé une multitude d'états de la matière exotiques.

Un exemple important de cela est l'isolant topologique : une sorte de solide cristallin qui présente des propriétés très différentes sur leurs surfaces que dans le reste du matériau. La manifestation la mieux connue de cela est que les isolants topologiques conduisent l'électricité sur leurs surfaces mais sont isolants à l'intérieur.

Une autre manifestation est le soi-disant effet Hall anomale quantique.

Connu depuis plus d'un siècle, l'effet Hall conventionnel se produit lorsqu'un courant électrique traversant un conducteur est dévié d'une ligne droite par un champ magnétique appliqué à angle droit au courant. Cette déviation produit une tension à travers le conducteur (et une résistance électrique correspondante).

Dans certains matériaux magnétiques, ce phénomène peut survenir même lorsqu'un champ magnétique n'est pas appliqué, ce qui est appelé effet Hall anomale.

'La résistance Hall anomale peut devenir très grande dans les isolants topologiques', explique Minoru Kawamura du Centre pour la science de la matière émergente de RIKEN. 'À basses températures, la résistance Hall anomale augmente et atteint une valeur fondamentale, tandis que la résistance le long de la direction du courant devient nulle.' C'est l'effet Hall anomale quantique, et il a été observé pour la première fois en laboratoire il y a près d'une décennie.

Maintenant, Kawamura et ses collègues ont démontré un effet appelé pompage de charge Laughlin dans un isolant Hall anomale quantique.

L'équipe a fabriqué un disque en forme de donut composé de couches d'isolants topologiques magnétiques différentes. Ils ont ensuite mesuré comment le courant électrique à travers le dispositif a répondu à un champ magnétique alternatif généré par des électrodes métalliques sur les courbes intérieures et extérieures du donut.

Les chercheurs ont observé que ce champ a conduit à l'accumulation de charges électriques aux extrémités du cylindre. C'est le pompage de charge Laughlin.

Les démonstrations précédentes d'isolants Hall anomale quantiques utilisaient des dispositifs rectangulaires comprenant des bords reliant les électrodes. Et on pensait que les états électroniques dans ces bords étaient essentiels pour soutenir l'isolant Hall anomale quantique.

Mais la découverte de l'équipe renverse cette hypothèse. 'Notre démonstration de pompage de charge Laughlin dans un isolant Hall anomale quantique utilise un dispositif en forme de disque sans canaux de bord reliant les deux électrodes', explique Kawamura. 'Nos résultats ouvrent la possibilité que d'autres phénomènes électroniques passionnants puissent être réalisés dans les matériaux d'isolant Hall anomale quantique.'

Informations sur le journal : Nature Physics

Fourni par RIKEN