De fortes interactions entre les particules dans les systèmes physiques peuvent entraîner divers états fondamentaux hautement corrélés. Ces états et les fortes corrélations qui les sous-tendent ont été largement explorés ces dernières années.
Des chercheurs de l’Université Purdue, du Monmouth College et de l’Université de Princeton ont récemment observé un état hautement corrélé dans les fermions composites, des particules qui émergent de la liaison des électrons et des vortex. L’état qu’ils ont observé, décrit dans Physique naturelleest connue sous le nom de « phase de bulle », car elle est marquée par le regroupement de fermions composites dans une bulle.
« Les expérimentateurs sont ravis de trouver des anomalies dans leurs données », a déclaré Gábor A. Csáthy, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Il y a des années, avec mon ancien post-doctorant Ashwani Kumar, maintenant professeur agrégé au Monmouth College dans l’Illinois, nous avons trouvé des caractéristiques inexpliquées dans nos données sur un gaz d’électrons bidimensionnel très spécial à haute mobilité cultivé dans le laboratoire du Dr Loren Pfeiffer à l’Université de Princeton. . Je me souviens que nous nous sommes excités, mais nous avons balayé l’explication comme un effet trivial mais bien connu. »
Une anomalie similaire à celle initialement observée par les chercheurs a ensuite été observée lors d’une étude menée par les étudiants diplômés Vidhi Shingla et Haoyun Huang sous la supervision de Csáthy. Initialement, l’équipe a suggéré que cette anomalie pourrait refléter une transition de spin triviale, mais cette hypothèse a été écartée par des études ultérieures. En fin de compte, ils ont découvert que l’anomalie pourrait être liée à un nouvel état fondamental topologique.
« La physique topologique imprègne la matière condensée contemporaine, l’optique atomique et moléculaire et d’autres sous-domaines de la physique », a expliqué Csáthy. « Les corrélations électroniques sont en général reconnues pour conduire à de nouveaux états topologiques, mais la nature de ces phases topologiques n’est pas toujours bien comprise. Il y avait des prédictions très intéressantes de certaines phases topologiques d’ordre supérieur appelées phases de bulles de fermions composites par des groupes de Jainendra Jain à l’Université d’État de Pennsylvanie et de Cristiane Morais Smith à l’Université de Fribourg et d’Utrecht, mais les signatures de ces phases n’ont pas été observées. »
À l’aide de mesures de transport, Csáthy et ses collègues ont détecté la signature de localisation d’une phase de bulle de fermions composites. Les fermions composites, qui sont formés par des électrons capturant deux quanta de flux magnétique et portant une fraction de la charge élémentaire, étaient auparavant bien documentés dans le régime Hall quantique fractionnaire. Généralement, ces fermions composites sont localisés de manière aléatoire, en raison du désordre ubiquitaire présent dans les échantillons expérimentaux.
« La densité généralement faible de ces fermions composites n’est pas propice à leur interaction », a déclaré Csáthy. « Cependant, lorsque l’interaction entre les fermions composites surmonte les effets de désordre, il a été prédit que les fermions composites se regroupent en bulles de fermions composites. Ces bulles s’ordonnent ensuite sur un réseau triangulaire. On peut penser à une boîte à œufs peu pratique, dans laquelle chaque tasse contient plusieurs œufs. » L’échantillon à haute mobilité utilisé par le groupe et l’environnement à basse température de l’expérience ont fourni des conditions propices à la formation de ces bulles.
Les fermions composites regroupés dans une bulle au cours de cette phase produisent des signatures de transport caractéristiques associées à leur localisation, qui peuvent être détectées à l’aide d’outils de mesure de transport. Plus précisément, les chercheurs ont découvert que la magnétorésistance longitudinale de leur échantillon avait disparu, tandis que la résistance de Hall était quantifiée à une valeur fractionnaire de la constante dite de Klitzing.
« Nous avons observé ces signatures à grande densité des fermions composites, à laquelle la phase de bulle des fermions composites est susceptible de se former », a déclaré Csáthy. « Nous avons trouvé le premier membre d’une nouvelle classe de phases topologiques hautement corrélées. En un sens, nous avons élargi le tableau périodique des phases topologiques qui peuvent être stabilisées dans le gaz d’électrons bidimensionnel non seulement avec un nouveau membre, mais avec un nouveau période. »
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs dévoilent l’existence d’une nouvelle phase topologique corrélée, qui pourrait être examinée plus en détail dans de futurs travaux. De plus, leurs découvertes pourraient avoir un impact sur de nouvelles applications expérimentales des phases topologiques qui impliquent la manipulation d’excitations de fermions composites ou d’autres excitations d’échantillons.
« Dans nos prochaines études, nous explorerons probablement les propriétés fondamentales de ces phases de bulles », a ajouté Csáthy. « Il existe de nombreuses questions ouvertes : dans quelles conditions expérimentales ces phases de bulles se forment-elles, comment détecter différents types de phases de bulles, pourquoi les phases de bulles ne se forment-elles pas partout où notre intuition actuelle prédirait qu’elles soient stables. Nous essaierons également de manipuler interactions électroniques conduisant à la formation de ces phases de bulles. »
Plus d’information:
Vidhi Shingla et al, Une phase de bulle topologique hautement corrélée de fermions composites, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-01939-2
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