Libérer des états exotiques de la matière : RIKEN prouve que les bords sont inutiles

Par RIKEN5 juin 2023

Les physiciens de RIKEN ont démontré un état quantique unique appelé effet Hall anormal quantique dans un dispositif semblable à un disque, prouvant que les états de bord ne sont pas nécessaires à ce processus. L’équipe a démontré le pompage de charge de Laughlin dans un isolant Hall anormal quantique à l’aide d’un disque en couches en forme de beignet composé de différents isolants topologiques magnétiques. Cette découverte élargit le potentiel de découverte de nouveaux phénomènes électroniques dans de tels matériaux.

Contrairement aux attentes, les expériences montrent que les bords ne sont pas nécessaires pour réaliser un effet quantique inhabituel.

Les physiciens de RIKEN ont créé pour la première fois un état quantique exotique dans un dispositif doté d'une géométrie en forme de disque, montrant que les bords ne sont pas nécessaires. Cette démonstration ouvre la voie à la réalisation d’autres nouveaux comportements électroniques.

La physique s’est depuis longtemps éloignée des trois états classiques de la matière : solide, liquide et gazeux. Une meilleure compréhension théorique des effets quantiques dans les cristaux et le développement d’outils expérimentaux avancés pour les sonder et les mesurer ont révélé toute une série d’états exotiques de la matière.

Un exemple frappant en est l’isolant topologique : une sorte de solide cristallin qui présente des propriétés très différentes sur ses surfaces par rapport au reste du matériau. La manifestation la plus connue est que les isolants topologiques conduisent l’électricité en surface mais isolent à l’intérieur.

Une autre manifestation est ce que l'on appelle « l'effet Hall anormal quantique ».

Connu depuis plus d'un siècle, l'effet Hall conventionnel se produit lorsqu'un courant électrique circulant dans un conducteur est dévié d'une ligne droite par un champ magnétique appliqué perpendiculairement au courant. Cette déviation produit une tension aux bornes du conducteur (et une résistance électrique correspondante).

Figure 1 : La structure en forme de beignet du dispositif utilisée dans des expériences démontrant le pompage de charge de Laughlin dans un dispositif sans bord. Crédit : © 2023 Centre RIKEN pour la science des matières émergentes

Dans certains matériaux magnétiques, ce phénomène peut survenir même lorsqu’un champ magnétique n’est pas appliqué, c’est ce qu’on appelle l’effet Hall anormal.

"La résistance Hall anormale peut devenir très importante dans les isolants topologiques", explique Minoru Kawamura du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes. "À basse température, la résistance Hall anormale augmente et atteint une valeur fondamentale, tandis que la résistance dans la direction du courant devient nulle." Il s’agit de l’effet Hall anormal quantique, et il a été observé pour la première fois en laboratoire il y a près de dix ans.

Maintenant, Kawamura et ses collègues ont démontré un effet connu sous le nom de pompage de charge de Laughlin dans un isolant Hall anormal quantique.

L'équipe a fabriqué un disque en forme de beignet composé de couches de différents isolants topologiques magnétiques (Fig. 1). Ils ont ensuite mesuré comment le courant électrique traversant l’appareil répondait à un champ magnétique alternatif généré par des électrodes métalliques sur les courbes intérieures et extérieures du beignet.

Les chercheurs ont observé que ce champ entraînait une accumulation de charges électriques aux extrémités du cylindre. C'est le pompage de charge de Laughlin.

Les démonstrations précédentes d’isolateurs Hall quantiques anormaux utilisaient des dispositifs rectangulaires comprenant des bords reliant les électrodes. Et on pensait que les états électroniques dans ces bords étaient cruciaux pour soutenir l’isolant Hall anormal quantique.

Mais les conclusions de l'équipe renversent cette hypothèse. "Notre démonstration du pompage de charge de Laughlin dans un isolant Hall quantique anormal utilise un dispositif en forme de disque sans canaux de bord reliant les deux électrodes", explique Kawamura. "Notre résultat soulève la possibilité que d'autres phénomènes électroniques passionnants puissent être réalisés dans des matériaux Hall quantiques anormaux."

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2/p>