Un état quantique rare révèle des charges d'un quart d'électron

La charge d’un électron est normalement fixe, comme une pièce de monnaie que l’on ne peut pas briser. Mais si on les refroidit près du zéro absolu et qu’on les piège dans une couche bidimensionnelle soumise à un champ magnétique puissant, les électrons s’organisent en un état collectif de « quasiparticules » qui semblent ne porter qu’une fraction de la charge d’un électron.

Cet état est connu sous le nom d’« effet Hall quantique fractionnaire ». Un petit nombre d’entre eux, les « états à dénominateur pair », ont attiré l’attention car certaines théories prédisent qu’ils pourraient contenir des quasiparticules inhabituelles appelées « anyons non abéliens ».

Pourquoi ces particules sont-elles intéressantes ? Parce que leurs propriétés quantiques en font d’excellentes candidates pour le stockage et le traitement de l’information dans des ordinateurs quantiques topologiques tolérants aux fautes (résistants aux erreurs).

Aujourd’hui, des scientifiques issus des groupes de Mitali Banerjee à l’EPFL, Moty Heiblum à l’Institut Weizmann des sciences, et Mansour Shayegan à l’université de Princeton ont étudié un tel état, connu sous le nom d’état Hall quantique fractionnaire ν = 1/2, qui se forme dans une large couche d’arséniure de gallium, un matériau utilisé en optoélectronique, dans les communications sans fil et même dans les panneaux solaires. Leurs travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

« Pour la première fois dans l’histoire de ce domaine, deux groupes différents (Weizmann et EPFL) ont mesuré les mêmes valeurs de charge fractionnaire », déclare Banerjee.

Les chercheurs voulaient répondre à une question fondamentale sur l’état ν = 1/2 : quelle charge portent ses quasiparticules ? Pour cela, ils ont étudié des électrons confinés dans une couche d’arséniure de gallium large de 70 nanomètres, chaque dispositif comportant un étranglement étroit appelé « contact ponctuel quantique ».

Cet étranglement a permis aux chercheurs de diffuser partiellement les quasiparticules traversant le dispositif et de mesurer le « bruit de grenaille » qui en résulte : lorsque le courant traverse le contact ponctuel quantique, les porteurs de charge individuels le traversent de manière aléatoire et discontinue, comme la pluie tombant sur un toit. L’ampleur du « bruit » électrique ainsi produit révèle la quantité de charge transportée par chaque porteur.

Les chercheurs ont fabriqué le contact ponctuel à l’aide d’une méthode de gravure originale, puis ont déposé des grilles métalliques autour de celui-ci afin de régler finement la quantité de courant pouvant le traverser. Ils ont testé deux dispositifs presque identiques dans deux laboratoires différents (l’un à l’EPFL et l’autre à Weizmann), puis ont d’abord confirmé que leur méthode fonctionnait en mesurant des états connus présentant des charges d’un électron entier et de deux tiers d’électron.

Lorsqu’ils ont appliqué la même technique à l’état ν = 1/2, les deux dispositifs ont donné la même réponse : les particules portaient une charge très proche d’un quart de celle d’un électron (0,250 ± 0,013 pour un dispositif et 0,249 ± 0,018 pour l’autre). Les deux valeurs correspondent à un quart de la charge d’un électron, soit e/4.

« Ceci est important, car l’état Hall quantique étudié ici est particulier : il subsiste jusqu’à quelques degrés Kelvin et ne serait que le deuxième état connu de ce type dans l’arséniure de gallium à posséder des propriétés non abéliennes particulières, susceptibles de permettre à terme un ordinateur quantique topologique », déclare Banerjee.

« Les états non abéliens agissent comme un plan structurel, dans lequel l’information est stockée dans la géométrie globale plutôt qu’en un point unique, ce qui garantit une immunité face aux défauts structurels locaux ou au bruit. En déplaçant simplement ces particules les unes autour des autres, nous pouvons créer des ordinateurs quantiques sans erreur. »

Autres contributeurs

Centre EPFL des sciences et de l’ingénierie quantiques