Une étude révèle que les électrons deviennent des fractions d’eux-mêmes dans le graphène

Jusqu’ici, les scientifiques ne parvenaient à observer le phénomène de « charge fractionnaire » qu’en soumettant un système à des champs magnétiques intenses. Dans le cadre d’une étude récente, des chercheurs y sont parvenus en utilisant une nouvelle approche basée sur l’utilisation du graphène. Les résultats obtenus constituent un progrès significatif vers la mise au point d’ordinateurs quantiques topologiques.

La charge fractionnaire, également connue sous le nom « d’effet Hall quantique fractionnaire », se manifeste quand les électrons se divisent en fractions égales d’eux-mêmes. Dans cet état, ils cessent d’agir de manière indépendante et adoptent plutôt un comportement collectif. Traditionnellement, cet effet est observé sous l’influence de champs magnétiques extrêmement puissants. Par exemple, dans les années 80, afin d’observer le phénomène, des scientifiques ont appliqué des champs magnétiques dix fois plus intenses que ceux résultant de l’utilisation d’un appareil IRM. Une réalisation qui leur avait valu un prix Nobel.

Cependant, une récente recherche menée par des physiciens du MIT révèle que dans certaines conditions, le comportement de charge fractionnaire peut se produire sans la présence d’un champ magnétique. Ils sont parvenus à ce résultat en utilisant le graphène, un matériau insoupçonné pour ce genre d’application.

Selon les chercheurs, cette méthode est beaucoup plus simple comparée à ce qui se faisais jusqu’ici. Son autre grand avantage est qu’elle pourrait contribuer à la résolution d’un problème de longue date en informatique quantique. Les détails sont disponibles dans la revue Nature.

Du graphène et du nitrure de bore

Pour rappel, issu du graphite, le graphène est une couche bidimensionnelle d’atomes de carbone disposés en une structure hexagonale. C’est en août 2023 que l’équipe de MIT a exploré pour la première fois le potentiel de ce matériau pour générer l’effet Hall quantique fractionnaire. Les chercheurs ont construit leur système en empilant cinq couches de graphène, chacune étant légèrement décalée par rapport à la précédente (comme un escalier). Ils ont ensuite intégré du nitrure de bore hexagonal (hBN) à cette configuration, pour former ce qu’ils appellent un « super-réseau moiré ».

Des électrodes ont été connectées à ce système hybride pour permettre l’application d’un courant électrique et la mesure de la tension. L’ensemble a été placé dans un réfrigérateur pour atteindre des températures avoisinant le zéro absolu. En appliquant un courant électrique au graphène et en analysant la tension générée, l’équipe a pu confirmer l’induction de l’effet Hall quantique fractionnaire.

L’importance de l’effet sans champ magnétique pour l’informatique quantique

Selon les chercheurs, cette méthode pourrait être appliquée à l’informatique quantique topologique, la topologie étant une branche mathématique étudiant les propriétés qui restent inchangées même lorsqu’un objet est étiré ou déformé.

Ce type d’informatique quantique est particulièrement reconnu pour sa robustesse, sa forte résistance aux erreurs et sa capacité à effectuer des calculs complexes. Bien qu’elle présente un potentiel considérable, cette technologie est encore confrontée à de nombreux défis, dont un qui pourrait peut-être être surmonté grâce à ce travail de l’équipe de MIT.

Pour mieux comprendre, il faut savoir que dans l’informatique quantique topologique, les calculs impliquent l’usage simultané de l’effet Hall quantique fractionnaire et d’un supraconducteur. Or, des champs magnétiques très intenses peuvent compromettre la supraconductivité.  La méthode développée par l’équipe du MIT pourrait donc offrir une protection accrue pour les qubits, ici représentés par les charges fractionnaires.

Source : Nature