Suivi des phénomènes quantiques dans les graphes 2D


Suivi des phénomènes quantiques dans les graphes 2D

Panneau de gauche : Aval (lignes rouges) et Amont (lignes noires en pointillés). Panneau du milieu : schéma de mesure du bruit pour la détection en mode amont. Panneau de droite : le bruit est détecté pour les états Hall quantiques partiels avec les modes « amont », tout en restant nul pour les modes aval uniquement. Crédit : Auteurs

Ces dernières années, un phénomène appelé effet Hall quantique est apparu comme une plate-forme pour des caractéristiques exotiques appelées quasiparticules, dont les propriétés pourraient conduire à des applications passionnantes des domaines tels que l’informatique quantique. Lorsqu’un champ magnétique puissant est appliqué à un matériau ou à un gaz 2D, les électrons à l’interface, contrairement à ceux de la , sont libres de se déplacer le long des bords dans des modes ou canaux dits de bord – similaires aux voies d’autoroute. Ce mouvement de bord, qui est l’essence de l’effet Hall quantique, peut conduire à de nombreuses propriétés intéressantes en fonction du matériau et des conditions.

Avec les électrons conventionnels, le courant ne circule que dans un sens (« vers l’aval ») spécifié par le champ magnétique. Cependant, les physiciens ont prédit que certains matériaux peuvent avoir des canaux contrarotatifs, dans lesquels certaines quasiparticules peuvent également se déplacer dans la direction opposée (« en amont »). Bien que ces canaux amont soient d’un grand intérêt pour les scientifiques car ils peuvent héberger une variété de nouveaux types de quasi-particules, ils ont été extrêmement difficiles à identifier car ils ne transportent pas de courant électrique.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Indian Institute of Science (IISc) et des collaborateurs internationaux fournissent des « preuves fumantes » de l’existence de modes en amont le long desquels certaines quasiparticules neutres se déplacent dans le graphène à deux couches. Pour détecter ces modes, ou canaux, l’équipe a utilisé une nouvelle méthode qui utilise le bruit électrique – les fluctuations du signal de sortie causées par la dissipation thermique.

« Bien que les excitations en amont soient de charge neutre, elles peuvent transporter de l’énergie thermique et créer une tache de bruit le long de la direction en amont », explique Anindya Das, professeur agrégé au Département de physique et auteur correspondant de l’étude publiée dans communications naturelles.

Les quasiparticules sont principalement des excitations qui surviennent lorsque des particules élémentaires telles que des électrons interagissent entre elles ou avec la matière qui les entoure. Ce ne sont pas vraiment des particules mais des particules similaires comme la masse et la charge. L’exemple le plus simple est un «  » – une lacune où un électron manque dans un certain état d’énergie dans un semi-conducteur. Il a une charge opposée à l’électron et peut se déplacer dans un matériau tout comme l’électron. Des paires d’électrons et de trous peuvent également former des quasi-particules qui peuvent se propager le long du bord du matériau.

Dans des études précédentes, les chercheurs ont montré qu’il pourrait être possible de détecter des quasi-particules émergentes comme les fermions de Majorana dans le graphène ; L’espoir est d’utiliser ces quasi-particules pour éventuellement construire des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. Pour identifier et étudier de telles particules, la détection des modes amont susceptibles de les héberger est cruciale. Bien que de tels modes en amont aient été découverts plus tôt dans les systèmes à d’arséniure de gallium, aucun n’a été identifié dans le graphène et les matériaux à base de graphène, qui sont beaucoup plus prometteurs lorsqu’il s’agit d’applications futuristes.

Dans l’étude actuelle, lorsque les chercheurs ont appliqué un potentiel électrique au bord du graphène à deux couches, ils ont découvert que la chaleur n’était transportée que dans les canaux en amont et dissipée dans cette direction à certains « points chauds ». À ces points, la chaleur produisait un bruit électrique qui pouvait être capté par un circuit électrique résonant et un analyseur de spectre.

Les auteurs ont également découvert que le mouvement de ces quasi-particules dans les canaux en amont était « balistique » – l’énergie thermique circulait sans perte d’un chaud à un autre – contrairement au transport « diffusif » précédemment observé dans les systèmes à base d’arséniure de gallium. Un tel mouvement balistique indique également la présence d’états et de caractéristiques exotiques qui pourraient aider à construire des dispositifs quantiques économes en énergie et sans défaut à l’avenir, selon les auteurs.


Particules quantiques exotiques – moins de champ magnétique requis


Plus d’information:
Kumar, R., Srivastav, SK, Spånslätt, C. et al. Observation des modes balistiques amont sur les bords Hall quantiques fractionnaires du graphène, communication nature, 13, 213 (2022). doi.org/10.1038/s41467-021-27805-4

Fourni par l’Institut indien des sciences

Devis: Tracking Quantum Phenomena in 2D Graphene (2022, 21 janvier) Extrait le 21 janvier 2022 de https://phys.org/news/2022-01-tracking-quantum-phenomena-2d-graphene.html

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