La recherche ouvre la voie aux futurs dispositifs et applications quantiques —


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  • Les particules et phénomènes quantiques exotiques sont comme les athlètes d’élite les plus audacieux du monde. Comme les grimpeurs solitaires libres qui escaladent des falaises incroyablement escarpées sans corde ni harnais, seules les conditions les plus extrêmes les inciteront à se présenter. Pour les phénomènes exotiques comme la supraconductivité ou les particules qui transportent une fraction de la charge d’un électron, cela signifie des températures extrêmement basses ou des champs magnétiques extrêmement élevés.

    Mais et si vous pouviez faire apparaître ces particules et ces phénomènes dans des conditions moins extrêmes ? On a beaucoup parlé du potentiel de la supraconductivité à température ambiante, mais la génération de particules exotiques à charge fractionnelle à un champ magnétique faible à nul est tout aussi importante pour l’avenir des matériaux et des applications quantiques, y compris les nouveaux types d’informatique quantique.

    Désormais, une équipe de chercheurs de l’Université Harvard dirigée par Amir Yacoby, professeur de physique et de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et Ashvin Vishwanath, professeur de physique au département de physique, en collaboration avec Pablo Jarillo-Herrero du Massachusetts Institute of Technology, ont observé pour la première fois des états fractionnaires exotiques à faible champ magnétique dans du graphène bicouche torsadé.

    La recherche est publiée dans La nature.

    “L’un des Saint Graal dans le domaine de la physique de la matière condensée est d’obtenir des particules exotiques avec un champ magnétique faible à nul”, a déclaré Yacoby, auteur principal de l’étude. “Il y a eu des prédictions théoriques selon lesquelles nous devrions pouvoir voir ces particules bizarres avec un champ magnétique faible à nul, mais personne n’a été capable de l’observer jusqu’à présent.”

    Les chercheurs se sont intéressés à un état quantique exotique spécifique connu sous le nom d’isolateurs de Chern fractionnaires. Les isolants Chern sont des isolants topologiques, ce qui signifie qu’ils conduisent l’électricité sur leur surface ou leur bord, mais pas au milieu.

    Dans un isolant de Chern fractionné, les interactions électroniques forment ce que l’on appelle des quasiparticules, une particule qui émerge d’interactions complexes entre un grand nombre d’autres particules. Le son, par exemple, peut être décrit comme une quasi-particule car il émerge des interactions complexes des particules dans un matériau. Comme les particules fondamentales, les quasiparticules ont des propriétés bien définies comme la masse et la charge.

    Dans les isolateurs fractionnaires de Chern, les interactions électroniques sont si fortes dans le matériau que les quasi-particules sont obligées de porter une fraction de la charge des électrons normaux. Ces particules fractionnaires ont des propriétés quantiques étranges qui pourraient être utilisées pour créer des bits quantiques robustes extrêmement résistants aux interférences extérieures.

    Pour construire leur isolant, les chercheurs ont utilisé deux feuilles de graphène torsadées ensemble à l’angle dit magique. La torsion ouvre des propriétés nouvelles et différentes dans le graphène, y compris la supraconductivité, découverte pour la première fois par le groupe de Jarillo-Herrero au MIT, et les états connus sous le nom de bandes de Chern, qui ont un grand potentiel pour générer des états quantiques fractionnaires, comme le montre théoriquement le groupe de Vishwanath à Harvard.

    Pensez à ces bandes de Chern comme à des seaux qui se remplissent d’électrons.

    “Dans des études précédentes, vous aviez besoin d’un grand champ magnétique pour générer ces seaux, qui sont les éléments de base topologiques dont vous avez besoin pour obtenir ces particules fractionnaires exotiques”, a déclaré Andrew T. Pierce, étudiant diplômé du groupe de Yacoby et co-premier auteur de l’article. “Mais le graphène bicouche à torsion à angle magique possède déjà ces unités topologiques utiles intégrées à un champ magnétique nul.”

    Pour générer des états fractionnaires, les chercheurs doivent remplir les seaux d’électrons sur une fraction du chemin. Mais voici le hic : pour que cela fonctionne, tous les électrons d’un seau doivent avoir à peu près les mêmes propriétés. Dans le graphène bicouche torsadé, ce n’est pas le cas. Dans ce système, les électrons ont différents niveaux d’une propriété connue sous le nom de courbure de Berry, qui fait que chaque électron subit un champ magnétique lié à son élan particulier. (C’est plus compliqué que ça, mais qu’est-ce qu’il n’y a pas en physique quantique ?)

    Lors du remplissage des seaux, la courbure de Berry des électrons doit être égalisée pour que l’état d’isolateur de Chern fractionné apparaisse.

    C’est là qu’un petit appliqué le champ magnétique entre.

    “Nous avons montré que nous pouvons appliquer un très petit champ magnétique pour répartir uniformément la courbure de Berry parmi les électrons du système, ce qui nous permet d’observer un isolant Chern fractionnaire dans le graphène bicouche torsadé”, a déclaré Yonglong Xie, chercheur postdoctoral à SEAS et co- premier auteur de l’article. “Cette recherche met en lumière l’importance de la courbure de Berry pour réaliser des états exotiques fractionnés et pourrait indiquer des plates-formes alternatives où la courbure de Berry n’est pas aussi hétérogène que dans le graphène tordu.”

    “Le graphène bicouche torsadé est le cadeau qui continue d’être offert et cette découverte d’isolateurs fractionnés de Chern est sans doute l’une des avancées les plus importantes dans le domaine”, a déclaré Vishwanath, auteur principal de l’étude. « Il est étonnant de penser que ce matériau merveilleux est finalement composé de la même matière que la pointe de votre crayon. »

    “La découverte d’isolateurs de Chern fractionnés à faible champ magnétique dans le graphène bicouche torsadé à angle magique ouvre un nouveau chapitre dans le domaine de la matière quantique topologique”, a déclaré Jarillo-Herrero, professeur de physique Cecil et Ida Green au MIT et auteur principal de l’étude. . “Il offre la perspective réaliste de coupler ces états exotiques avec la supraconductivité, permettant éventuellement la création et le contrôle de quasiparticules topologiques encore plus exotiques connues sous le nom d’anyons.”

    La recherche a été co-écrite par Jeong Min Park, Daniel E. Parker, Eslam Khalaf, Patrick Ledwith, Yuan Cao, Seung Hwan Lee, Shaowen Chen, Patrick R. Forrester, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi.

    Il a été soutenu en partie par le Département américain de l’énergie, le Bureau des sciences de l’énergie de base, la Division des sciences et de l’ingénierie des matériaux sous le prix DE-SC0001819, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fondation nationale des sciences et la Fondation Simons.

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    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

    Je m'intéresse à tous les sujets comme la politique, la culture, la géopolitique, l'économie ou la technologie. Toute information permettant d'éclairer mon esprit et donc, le vôtre, dans un monde obscur et à la dérive.

    Je suis l'auteur de plusieurs livre

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