Des physiciens du MIT ont fait un pas important vers la compréhension de la division des électrons en fractions d’eux-mêmes. Leur recherche éclaire les conditions qui permettent l’émergence d’états électroniques exotiques dans le graphène et d’autres systèmes bidimensionnels.
Ce nouveau travail vise à expliquer une découverte rapportée plus tôt cette année par un autre groupe de physiciens du MIT, dirigé par le professeur adjoint Long Ju. L’équipe de Ju a observé que les électrons semblent avoir une « charge fractionnaire » dans le graphène pentacouche – une structure composée de cinq couches de graphène empilées sur une feuille de nitrure de bore.
Ju a découvert que lorsque du courant électrique traverse cette structure, les électrons semblent se déplacer sous forme de fractions de leur charge totale, même sans champ magnétique. Les scientifiques avaient déjà démontré que les électrons peuvent se fractionner sous un champ magnétique intense, un phénomène connu sous le nom d’effet Hall quantique fractionnaire. Les travaux de Ju sont les premiers à montrer que cet effet est possible dans le graphène sans champ magnétique, ce qui était auparavant inattendu.
Ce phénomène a été nommé « effet Hall anormal quantique fractionnaire », et les théoriciens ont cherché à comprendre comment une charge fractionnaire peut émerger du graphène pentacouche.
La nouvelle étude, dirigée par Senthil Todadri, professeur de physique au MIT, fournit une réponse cruciale. Grâce à des calculs d’interactions de mécanique quantique, lui et ses collègues montrent que les électrons forment une structure cristalline idéale pour l’émergence de fractions d’électrons.
« Il s’agit d’un mécanisme complètement nouveau, ce qui signifie qu’aucun système n’a jamais été utilisé pour ce type de phénomènes d’électrons fractionnaires », explique Todadri. « C’est vraiment passionnant car cela rend possible toutes sortes de nouvelles expériences dont on ne pouvait que rêver auparavant. »
L’étude de l’équipe a été publiée la semaine dernière dans le journal Physical Review Letters. Deux autres équipes de recherche – l’une de l’Université Johns Hopkins et l’autre de l’Université Harvard, de l’Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory – ont également publié des résultats similaires dans le même numéro. L’équipe du MIT comprend Zhihuan Dong PhD ’24 et l’ancien postdoc Adarsh Patri.
« Phénomènes fractionnaires »
En 2018, le professeur de physique du MIT Pablo Jarillo-Herrero et ses collègues ont été les premiers à observer que de nouveaux comportements électroniques pouvaient émerger de l’empilement et de la torsion de deux feuilles de graphène. Chaque couche de graphène est aussi fine qu’un atome et structurée en un treillis d’atomes de carbone hexagonaux. En empilant deux feuilles selon un angle spécifique, il a découvert que l’interférence résultante, ou motif de moiré, induisait des phénomènes inattendus tels que des propriétés supraconductrices et isolantes dans le même matériau. Ce « graphène à angle magique » a lancé un nouveau domaine appelé twistronique, l’étude du comportement électronique dans des matériaux tordus et bidimensionnels.
« Peu de temps après ses expériences, nous avons réalisé que ces systèmes de moiré seraient des plates-formes idéales pour trouver les conditions permettant à ces phases électroniques fractionnaires d’émerger », explique Todadri, qui a collaboré avec Jarillo-Herrero sur une étude la même année pour montrer qu’en théorie, de tels systèmes torsadés pourraient présenter une charge fractionnée sans champ magnétique. «Nous les préconisions comme étant les meilleurs systèmes pour rechercher ce type de phénomènes fractionnaires», dit-il.
En septembre 2023, Todadri a participé à un appel Zoom avec Ju, qui connaissait le travail théorique de Todadri et était resté en contact avec lui grâce aux propres travaux expérimentaux de Ju.
« Il m’a appelé un samedi et m’a montré les données dans lesquelles il avait vu ces [electron] fractions dans le graphène pentacouche », se souvient Todadri. « Et cela a été une grande surprise car cela ne s’est pas déroulé comme nous le pensions. »
Dans son article de 2018, Todadri prédit qu’une charge fractionnaire devrait émerger d’une phase précurseur caractérisée par une torsion particulière de la fonction d’onde électronique. D’une manière générale, il a émis l’hypothèse que les propriétés quantiques d’un électron devraient avoir une certaine torsion, ou un certain degré de manipulation sans modifier sa structure inhérente. Cet enroulement, prédit-il, devrait augmenter avec le nombre de couches de graphène ajoutées à une structure moirée donnée.
« Pour le graphène pentacouche, nous pensions que la fonction d’onde s’enroulerait environ cinq fois, ce qui serait un précurseur des fractions électroniques », explique Todadri. «Mais il a fait ses expériences et a découvert que cela s’enroule, mais une seule fois. Cela a alors soulevé cette grande question : comment devrions-nous penser à ce que nous voyons ? »
Cristal extraordinaire
Dans la nouvelle étude de l’équipe, Todadri a cherché à déterminer comment des fractions électroniques pourraient émerger du graphène pentacouche si ce n’était par le chemin qu’il avait initialement prédit. Les physiciens ont examiné leur hypothèse initiale et ont réalisé qu’ils avaient peut-être oublié un ingrédient clé.
« La stratégie standard dans ce domaine pour comprendre ce qui se passe dans un système électronique consiste à traiter les électrons comme des acteurs indépendants et, à partir de là, à déterminer leur topologie, ou enroulement », explique Todadri. « Mais d’après les expériences de Long, nous savions que cette approximation devait être incorrecte. »
Alors que dans la plupart des matériaux, les électrons disposent de suffisamment d’espace pour se repousser et se déplacer en tant qu’agents indépendants, les particules sont beaucoup plus confinées dans des structures bidimensionnelles telles que le graphène pentacouche. Dans des espaces aussi restreints, l’équipe a réalisé que les électrons devraient également être forcés d’interagir, se comportant selon leurs corrélations quantiques en plus de leur répulsion naturelle. Lorsque les physiciens ont ajouté les interactions interélectroniques à leur théorie, ils ont découvert qu’elle prédisait correctement l’enroulement observé par Ju pour le graphène pentacouche.
Une fois qu’ils ont eu une prédiction théorique correspondant aux observations, l’équipe a pu travailler à partir de cette prédiction pour identifier un mécanisme par lequel le graphène pentacouche donnait naissance à une charge fractionnaire.
Ils ont découvert que l’arrangement moiré du graphène pentacouche, dans lequel chaque couche d’atomes de carbone en forme de réseau est disposée les unes sur les autres et au-dessus du nitrure de bore, induit un faible potentiel électrique. Lorsque les électrons traversent ce potentiel, ils forment une sorte de cristal, ou formation périodique, qui confine les électrons et les oblige à interagir via leurs corrélations quantiques. Cette lutte acharnée électronique crée une sorte de nuage d’états physiques possibles pour chaque électron, qui interagit avec tous les autres nuages d’électrons dans le cristal, dans une fonction d’onde, ou un modèle de corrélations quantiques, qui donne l’enroulement qui devrait définir l’état physique. étape permettant aux électrons de se diviser en fractions d’eux-mêmes.
« Ce cristal possède tout un ensemble de propriétés inhabituelles qui sont différentes des cristaux ordinaires et soulèvent de nombreuses questions fascinantes pour les recherches futures », explique Todadri. « À court terme, ce mécanisme fournit la base théorique pour comprendre les observations de fractions d’électrons dans le graphène pentacouche et pour prédire d’autres systèmes ayant une physique similaire. »
Ce travail a été soutenu en partie par la National Science Foundation et la Fondation Simons.
