Recherche de fractionnalisation
De nombreux physiciens de la matière condensée nourrissent le rêve d’observer la fractionnalisation. Dans ce phénomène, un état collectif d’électrons porte une charge qui est une fraction de la charge de l’électron sans champ magnétique.
Le Concept de Fractionnalisation
Eun-Ah Kim, professeure de physique au College of Arts and Sciences (A&S), explique que la fractionnalisation ne consiste pas à diviser l’électron en morceaux.
Au lieu de cela, il s’agit d’un groupe d’électrons se comportant comme s’ils portaient un déficit de charge qui n’est qu’une fraction de la charge d’un électron. Cette observation représente un sommet des effets non triviaux découlant des interactions électroniques solides.
Kim souligne que l’obtention d’états avec une charge fractionnée ne relève pas uniquement de la curiosité intellectuelle. Cela offre un potentiel significatif pour des applications technologiques innovantes, en particulier dans le domaine de l’informatique quantique.
Une percée théorique
Les chercheurs du groupe de Kim ont proposé un moyen d’atteindre la fractionnalisation sans champ magnétique. Leurs découvertes sont élucidées dans l’article intitulé “Fractionnalization in Fractional Correlated Insulating States at n ± 1/3 Filled Twisted Bilayer Graphene” publié dans Physical Review Letters.
L’auteur principal de cette recherche est Dan Mao, un boursier postdoctoral Bethe/Wilkins/Kavli Institute at Cornell (KIC) au sein du Laboratoire de physique atomique et des solides (LASSP), avec des co-auteurs dont Kim et l’étudiant diplômé Kevin Zhang.
Les champs magnétiques et la quête de la fractionnalisation
Dans des enquêtes antérieures, les physiciens ont atteint la fractionnalisation en utilisant des champs magnétiques pour supprimer l’énergie cinétique, amplifier les effets d’interaction et parvenir à l’effet Hall quantique fractionnaire célébré dans des systèmes bidimensionnels.
Cependant, la disponibilité limitée de champs magnétiques puissants dans des laboratoires spécialisés a incité la recherche de stratégies alternatives pour réaliser la fractionnalisation sans dépendre des champs magnétiques.
Exploiter des Perspectives Géométriques dans le Graphène à Deux Couches Tordues
Le groupe de Kim a adopté une approche innovante en exploitant des perspectives géométriques au sein d’une structure en graphène à deux couches tordues pour prédire de nouveaux effets.
Alors que la pensée géométrique est courante dans les études des systèmes magnétiques, elle n’a pas encore été appliquée précédemment à l’étude de la distribution des charges en raison de la nature généralement isotrope des fonctions d’onde électroniques centrées sur les sites du réseau.
Dans le graphène à deux couches tordues, les électrons présentent des caractéristiques uniques. Leurs fonctions d’onde ne sont pas confinées à un seul site du réseau, mais sont réparties sur plusieurs sites du réseau de moiré, prenant une forme de trèfle à trois feuilles anisotrope.
Caractérisation des Phases Isolantes Corrélées Fractionnaires
Les chercheurs proposent l’existence de phases isolantes corrélées fractionnaires au sein des systèmes de graphène de moiré, caractérisées par les propriétés fondamentales suivantes :
- Les excitations portent des charges électriques fractionnaires, une caractéristique de la fractionnalisation.
- Certaines excitations fractionnaires présentent un comportement “fractonique”, limité à des directions de mouvement spécifiques.
- Une symétrie émergente, essentielle pour unifier le comportement des excitations fractionnaires dans ces phases, a été identifiée.
Projets futurs Kim déclare que cette découverte ouvre la voie à l’exploration de nouveaux concepts théoriques liés aux symétries émergentes et à la dynamique fractionnaire dans un contexte physique. En collaborant avec des collègues expérimentaux pour valider ces prédictions, les chercheurs rapportent des résultats préliminaires prometteurs.
Kim conclut que cette recherche ne représente que le début d’un voyage en territoire inexploré. Avec un cadre concret pour l’étude des concepts théoriques émergents, l’exploration des propriétés mesurables, telles que les symétries émergentes et la dynamique fractionnaire, est sur le point d’élargir notre compréhension du monde quantique.
Lire l’article original sur PHYS.
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