Les électrons ouvrent un nouveau monde à la physique quantique

Une nouvelle découverte sur le comportement mystérieux des électrons enthousiasme les scientifiques : elle est non seulement fascinante pour la physique fondamentale, mais ouvre également un nouveau monde de possibilités technologiques que nous commençons seulement à entrevoir. Cela vaut la peine de connaître l’histoire.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de Washington à Seattle ont découvert que les électrons dans des feuilles de graphène empilées présentent ce que l’on appelle l’effet Hall quantique fractionnaire anormal (FQAHE). Une autre équipe du MIT a également observé cet effet FQAHE en plaçant cinq couches de graphène entre des feuilles de nitrure de bore, révèle Nature, ajoutant que ces deux découvertes enthousiasment les physiciens.

FQAHE est une manifestation physique dans laquelle les électrons des systèmes bidimensionnels présentent une conductance de Hall quantifiée en valeurs fractionnaires. Ce phénomène se caractérise par l’apparition de charges fractionnaires sur les électrons.

système bidimensionnel

Pour comprendre ce que signifie cet étrange comportement des électrons, imaginons un groupe de personnes dans une pièce qui ne peuvent se déplacer qu’en ligne droite, d’un côté à l’autre : cet exemple reflète un système bidimensionnel, dans lequel les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux directions, comme sur une feuille de papier.

Maintenant, si ces personnes représentaient des électrons et que chacune devait porter un sac de billes, nous nous attendrions normalement à ce que chaque sac contienne le même nombre de billes, disons 10.

comportements étranges

Dans le monde quantique, dans certaines conditions très spécifiques (telles que des températures extrêmement basses), les électrons commencent à se comporter étrangement et les « sacs » de charge qu’ils transportent peuvent avoir des quantités fractionnaires, comme s’ils ne transportaient que 6,7 billes au lieu de 10. C’est ce qui se passe. ce que nous entendons par « charges fractionnaires ».

L’effet Hall quantique fractionnaire anormal (FQAHE) est comme si, en plus de transporter un nombre fractionnaire de billes, ces personnes pouvaient traverser les murs (un phénomène appelé « effet tunnel » en physique quantique) et ne pouvaient le faire que lorsqu’elles se déplaçaient. dans une direction précise.

Cela crée un modèle de mouvement très particulier que les scientifiques peuvent mesurer, appelé « conductance de Hall ».

Pas de champ magnétique

Dans le cas du FQAHE, le nombre de billes (charge) que chaque personne (électron) peut transporter et traverser les murs (effet tunnel) n’est pas un nombre entier comme 1, 2, 3…, mais des fractions comme 2/ 3 ou 3/5, au lieu de la charge complète de -1.

Le plus surprenant est que ce comportement des électrons observé dans les expériences du MIT et de Seattle se manifeste sans avoir besoin d’un champ magnétique externece qui est inhabituel et remet en question la compréhension actuelle des physiciens des matériaux topologiques.

Dans ces conditions, les électrons interagissent fortement, formant de nouvelles particules appelées quasiparticules (ensembles de particules plus petites qui agissent comme une seule particule prévisible) et, comme les personnes dans l’exemple, ont une charge fractionnaire de billes. Ces quasiparticules sont fondamentales pour FQAHE, car leur présence entraîne la quantification fractionnaire de la résistance à l’effet Hall.

Applications quantiques

La FQAHE constitue non seulement une découverte fascinante en termes de physique fondamentale, mais elle présente également un potentiel d’applications pratiques.

Les particules à charges fractionnaires constituent une exigence clé pour un type spécifique de l’informatique quantiquece qui signifie que cette découverte pourrait constituer une étape cruciale pour rendre les ordinateurs quantiques plus avancés et plus efficaces, ainsi que plus pratiques et accessibles.

En revanche, les matériaux présentant cet effet pourraient être utilisés dans la fabrication de dispositifs de détection. stockage magnétique et systèmes spintronique (état d’énergie magnétique faible qui ne peut prendre que deux valeurs), dans lequel le contrôle du spin électronique est crucial, de sorte que la nouvelle découverte pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour physique des matériaux.

Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à faire pour bien comprendre le mécanisme à l’origine du FQAHE dans le graphène empilé, le l’enthousiasme de la communauté scientifique est palpableavec des débats houleux sur sa signification.

des électrons surprenants

Une fois de plus, l’histoire se répète. Ce n’est pas la première fois que les électrons laissent les scientifiques stupéfaits et perplexes : ils ont été les protagonistes de nombreuses surprises qui ont permis de construire la physique quantique telle que nous la connaissons aujourd’hui.

La Dualité onde-particule caractéristique des électrons, fut l’une des premières et des plus déconcertantes révélations. Ce phénomène a été démontré dans des expériences comme celle de double fentedans lequel les électrons adoptent un comportement ondulatoire typique et peuvent traverser les murs.

Les électrons ont également inspiré Principe d’incertitude de Heisenberg, selon lequel il est impossible de connaître simultanément la position et l’impulsion d’un électron avec une précision absolue. Ce principe remettait en question la notion classique de mesure et de prédiction.

Il intrication quantiquedans laquelle l’état d’un électron peut être instantanément corrélé à l’état d’un autre, quelle que soit la distance, était une autre surprise que même Einstein a qualifiée d’« action effrayante à distance ».

un nouveau monde

Il Effet tunnel quantique Il permet aux électrons de franchir des barrières qui seraient insurmontables selon les lois de la physique classique, en raison du caractère probabiliste de son existence.

Le FQHE, théoriquement découvert en 1982, est le dernier épisode de cette chaîne de surprises que nous réservent les électrons depuis qu’on les a vu apparaître et disparaître à l’intérieur d’un atome sans savoir d’où ils viennent et où ils vont.

Depuis, nous n’avons pu que confirmer la richesse du comportement des électrons. « Je pense que les gens n’apprécient pas à quel point c’est différent. [el fraccionario] de l’effet Hall quantique anormal », dit Ashvin Vishwanath, physicien théoricien à l’université Harvard de Cambridge, cité par Nature. « C’est un nouveau monde », dit-il. Et il prévient : « il y a encore d’autres mystères à découvrir ».

Les références

Effet Hall anormal quantique fractionnaire dans le graphène multicouche. Zhengguang Lu et coll. Nature, volume 626, pages 759-764 (2024). DOOI : https://doi.org/10.1038/s41586-023-07010-7

Observation de l’effet Hall anormal fractionnement quantifié. Parc Heonjoon et coll. Nature volume 622, pages 74 à 79 (2023). DOOI : https://doi.org/10.1038/s41586-023-06536-0