Jennifer Chu | MIT News Date de publication : 21 février 2024

L’électron est l’unité de base de l’électricité, car il porte une seule charge négative. C’est ce qu’on nous apprend en physique au lycée, et c’est très majoritairement le cas dans la plupart des matériaux de la nature.

Mais dans des états très particuliers de la matière, les électrons peuvent se diviser en fractions de leur totalité. Ce phénomène, connu sous le nom de « charge fractionnaire », est extrêmement rare et, s’il peut être maîtrisé, cet état électronique exotique pourrait contribuer à la construction d’ordinateurs quantiques résistants et tolérants aux pannes.

À ce jour, cet effet, connu des physiciens sous le nom d’« effet Hall quantique fractionnaire », n’a été observé qu’une poignée de fois, la plupart du temps sous des champs magnétiques très élevés et soigneusement entretenus. Ce n’est que récemment que les scientifiques ont observé l’effet dans un matériau qui ne nécessitait pas une manipulation magnétique aussi puissante.

Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont observé l’insaisissable effet de charge fractionnée, cette fois dans un matériau plus simple : cinq couches de graphène - une couche de carbone de la finesse d’un atome, issue du graphite et de la mine de crayon ordinaire. Les chercheurs publient leurs résultats aujourd’hui dans la revue Nature.

Ils ont constaté que lorsque cinq feuilles de graphène sont superposées avec un léger décalage comme les marches d’un escalier, la structure résultante offre intrinsèquement les conditions idéales pour que les électrons passent à travers en tant que fractions de leur charge totale, sans qu’aucun champ magnétique externe ne soit nécessaire.

Ces résultats constituent la première preuve de l’« effet Hall anomal quantique fractionnaire » (le terme « anomal » fait référence à l’absence de champ magnétique) dans le graphène cristallin, un matériau dont les physiciens ne s’attendaient pas à ce qu’il présente cet effet.

« Ce graphène à cinq couches est un système de matériaux où de nombreuses bonnes surprises se produisent », explique l’auteur de l’étude, Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT. « La charge fractionnée est tellement exotique, et maintenant nous pouvons réaliser cet effet avec un système beaucoup plus simple et sans champ magnétique. En soi, c’est important pour la physique fondamentale. Et cela pourrait permettre d’envisager un type d’informatique quantique plus robuste contre les perturbations. »

Les coauteurs de Ju au MIT sont l’auteur principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo et Liang Fu, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi à l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Un état étrange

L’effet Hall quantique fractionnaire est un exemple des phénomènes étranges qui peuvent survenir lorsque des particules cessent de se comporter comme des unités individuelles pour agir ensemble comme un tout. Ce comportement collectif « corrélé » apparaît dans des états particuliers, par exemple lorsque les électrons sont ralentis par rapport à leur rythme frénétique habituel, jusqu’à atteindre une cadence qui permet aux particules de se percevoir les unes les autres et d’interagir. Ces interactions peuvent produire des états électroniques rares, tels que la division apparemment peu orthodoxe de la charge d’un électron.

En 1982, des scientifiques ont découvert l’effet Hall quantique fractionnaire dans des hétérostructures d’arséniure de gallium, où un gaz d’électrons confiné dans un plan bidimensionnel est placé sous des champs magnétiques élevés. Cette découverte a valu au groupe le prix Nobel de physique.

« La découverte a été très importante, car ces charges unitaires interagissant de manière à donner quelque chose comme une charge fractionnée étaient très, très bizarres », explique M. Ju. « À l’époque, il n’existait aucune théorie prédictive et les expériences ont surpris tout le monde. »

Ces chercheurs ont obtenu leurs résultats révolutionnaires en utilisant des champs magnétiques pour ralentir suffisamment les électrons du matériau pour qu’ils puissent interagir. Les champs qu’ils ont utilisés étaient environ 10 fois plus puissants que ceux qui alimentent généralement un appareil d’IRM.

En août 2023, des scientifiques de l’université de Washington ont rapporté la première preuve de l’existence d’une charge fractionnée sans champ magnétique. Ils ont observé cette version « anormale » de l’effet dans un semi-conducteur torsadé appelé ditelluride de molybdène. Le groupe a préparé le matériau dans une configuration spécifique qui, selon les théoriciens, devait lui conférer un champ magnétique inhérent, suffisant pour encourager les électrons à se fractionner sans aucun contrôle magnétique externe.

Le résultat « sans aimant » a ouvert une voie prometteuse vers l’informatique quantique topologique - une forme plus sûre d’informatique quantique, dans laquelle l’ingrédient supplémentaire de la topologie (une propriété qui reste inchangée face à une faible déformation ou perturbation) donne à un qubit une protection supplémentaire lors de l’exécution d’un calcul. Ce système de calcul est basé sur une combinaison de l’effet Hall quantique fractionnaire et d’un supraconducteur. Il était auparavant presque impossible à réaliser : Il faut un champ magnétique puissant pour obtenir une charge fractionnée, alors que le même champ magnétique tue généralement le supraconducteur. Dans ce cas, les charges fractionnaires serviraient de qubit (l’unité de base d’un ordinateur quantique).

Des étapes à franchir

Le même mois, Ju et son équipe ont également observé des signes de charge fractionnelle anormale dans le graphène, un matériau pour lequel aucune prédiction n’avait été faite quant à l’apparition d’un tel effet.

Le groupe de M. Ju a exploré le comportement électronique du graphène, qui présente en soi des propriétés exceptionnelles. Plus récemment, le groupe de M. Ju s’est penché sur le graphène pentalayer, une structure composée de cinq feuilles de graphène, chacune étant légèrement rayonnée par rapport à l’autre, comme les marches d’un escalier. Cette structure de graphène pentacouche est intégrée dans le graphite et peut être obtenue par exfoliation à l’aide d’un ruban adhésif. Lorsqu’ils sont placés dans un réfrigérateur à des températures ultra-froides, les électrons de la structure ralentissent et interagissent d’une manière qu’ils ne feraient normalement pas lorsqu’ils se déplacent à des températures plus élevées.

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont effectué des calculs et découvert que les électrons pourraient interagir encore plus fortement entre eux si la structure pentacouche était alignée avec du nitrure de bore hexagonal (hBN), un matériau dont la structure atomique est similaire à celle du graphène, mais dont les dimensions sont légèrement différentes. En combinaison, les deux matériaux devraient produire un super-réseau moiré - une structure atomique complexe, semblable à un échafaudage, qui pourrait ralentir les électrons de manière à imiter un champ magnétique.

Nous avons fait ces calculs, puis nous nous sommes dit : « Allons-y »", explique Ju, qui a installé l’été dernier un nouveau réfrigérateur à dilution dans son laboratoire du MIT, que l’équipe a prévu d’utiliser pour refroidir des matériaux à des températures ultra-basses, afin d’étudier des comportements électroniques exotiques.

Les chercheurs ont fabriqué deux échantillons de la structure hybride de graphène en exfoliant d’abord les couches de graphène d’un bloc de graphite, puis en utilisant des outils optiques pour identifier les flocons à cinq couches dans la configuration en escalier. Ils ont ensuite tamponné le flocon de graphène sur un flocon de hBN et ont placé un deuxième flocon de hBN sur la structure de graphène. Enfin, ils ont fixé des électrodes à la structure et l’ont placée dans un réfrigérateur réglé à une température proche du zéro absolu.

En appliquant un courant au matériau et en mesurant la tension produite, ils ont commencé à voir des signatures de charge fractionnée, où la tension est égale au courant multiplié par un nombre fractionné et quelques constantes physiques fondamentales.

« Le jour où nous l’avons vu, nous ne l’avons tout d’abord pas reconnu », explique le premier auteur, M. Lu. « Puis nous avons commencé à crier en réalisant que c’était vraiment énorme. C’était un moment tout à fait surprenant. »

« C’est probablement le premier échantillon sérieux que nous avons mis dans le nouveau réfrigérateur », ajoute Han, le coauteur. « Une fois calmés, nous avons examiné les détails pour nous assurer que ce que nous voyions était réel. »

Grâce à une analyse plus poussée, l’équipe a confirmé que la structure du graphène présentait effectivement l’effet Hall anomal quantique fractionnaire. C’est la première fois que cet effet est observé dans le graphène.

« Le graphène peut également être un supraconducteur », explique M. Ju. « Il est donc possible d’obtenir deux effets totalement différents dans le même matériau, juste à côté l’un de l’autre. Si l’on utilise le graphène pour parler au graphène, on évite de nombreux effets indésirables lorsqu’on relie le graphène à d’autres matériaux. »

Pour l’instant, le groupe continue d’explorer le graphène multicouche pour d’autres états électroniques rares.

« Nous nous plongeons dans l’exploration de nombreuses idées et applications de physique fondamentale », déclare-t-il. « Nous savons qu’il y en aura d’autres à venir. »

Cette recherche est soutenue en partie par la Sloan Foundation et la National Science Foundation.

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