Comment mesure-t-on un tiers d'électron ?

Travail rédactionnel : Domotech Magazine
Source : EPFL

Un électron porte normalement une charge électrique élémentaire considérée comme indivisible. Dans certaines conditions extrêmes, notamment lorsque des électrons sont confinés dans un espace bidimensionnel, soumis à un champ magnétique intense et refroidis à très basse température, leur comportement change. Ils peuvent alors s’organiser collectivement pour former des quasi-particules qui se comportent comme si elles ne portaient qu’une fraction de la charge d’un électron. Ce phénomène apparaît notamment dans certains états liés à l’effet Hall quantique.

Un dispositif en graphène pour mesurer les charges fractionnaires
Une équipe dirigée par Mitali Banerjee, professeure au Laboratoire de physique quantique, topologie et corrélation de l’EPFL, a développé une nouvelle méthode pour étudier ces charges. Le dispositif repose sur du graphène bicouche, constitué de deux couches d’atomes de carbone. À l’aide de grilles électriques, les chercheurs créent une petite barrière énergétique appelée « antidot ». Les quasi-particules se déplacent autour de cette zone selon des trajectoires précises. Lorsque le champ magnétique ou la tension appliquée est modifié, elles traversent périodiquement le dispositif par effet tunnel, générant de faibles oscillations du signal électrique. L’espacement entre ces oscillations permet alors de déterminer leur charge.

Des fractions de charge observées dans plusieurs états quantiques

Les expériences ont permis d’identifier des quasi-particules portant un tiers de la charge d’un électron dans plusieurs états de Hall quantique, notamment 4/3, 5/3 et 7/3. Des charges correspondant aux deux tiers d’un électron ont également été observées dans l’état 2/3, ainsi que des charges de trois cinquièmes dans l’état 3/5. L’état 8/3 a présenté un comportement différent, avec des signatures correspondant simultanément à des charges d’un tiers et de deux tiers. Plusieurs phénomènes pourraient expliquer ce résultat, notamment différentes structures de bord ou différents mécanismes d’effet tunnel.

Une nouvelle approche pour les technologies quantiques

Les quasi-particules à charge fractionnaire jouent un rôle important dans l’étude de la matière quantique topologique, dont les propriétés résultent du comportement collectif d’un grand nombre de particules. Le dispositif développé à l’EPFL offre une méthode compacte, réglable électriquement et reposant sur des mesures de conductance relativement simples pour explorer ces phénomènes. Cette approche pourrait également être adaptée à d’autres matériaux bidimensionnels et faciliter l’étude d’un plus grand nombre d’états quantiques. Selon Mario Di Luca, premier auteur de l’étude publiée dans Nature Physics, cette géométrie pourrait à terme servir de composant de base pour le développement d’un ordinateur quantique topologique.