Les physiciens découvrent un état quantique avec un nouveau type de particules émergentes : les fermions composites à six flux

Gabor Csathy, professeur et chef du département de physique et d'astronomie du Purdue University College of Science, ainsi que les doctorants Haoyun Huang, Waseem Hussain et le récent doctorant Sean Myers, ont dirigé cette découverte depuis le campus West Lafayette de Purdue. Csathy attribue à l'auteur principal Huang le mérite d'avoir conçu, dirigé les mesures et écrit une grande partie du manuscrit. Toutes les mesures à très basse température ont été réalisées dans le laboratoire du bâtiment de physique de Csathy. Dans son laboratoire, ils mènent des recherches sur la physique électronique fortement corrélée, parfois appelée physique électronique topologique.

Les interactions faibles des électrons sont bien établies et leur comportement est tout à fait prévisible. Lorsque les électrons interagissent faiblement, l’électron est généralement considéré comme la pierre angulaire naturelle de l’ensemble du système. Mais lorsque les électrons interagissent fortement, il devient presque impossible d’interpréter le comportement systémique en pensant à des électrons individuels.

“Cela se produit dans très peu de cas, comme dans le régime de Hall quantique fractionnaire que nous étudions, par exemple”, explique Csathy. “Pour expliquer les états Hall quantiques fractionnaires, le fermion composite, un élément fondamental très intuitif, se décline en différentes saveurs. Ils peuvent expliquer tout un sous-ensemble des états Hall quantiques fractionnaires. Mais tous les états pleinement développés (c'est-à-dire topologiquement protégés), Les états de Hall quantiques fractionnaires pourraient être expliqués par seulement deux types de fermions composites : les fermions composites à deux flux et à quatre flux. Nous avons rapporté ici un nouvel état de Hall quantique fractionnaire qui ne peut être expliqué par aucune de ces idées précédentes ! Au lieu de cela, nous Il est nécessaire d'invoquer l'existence d'un nouveau type de particule émergente, les fermions composites à six flux. La découverte de nouveaux états de Hall quantiques fractionnaires est assez rare. Cependant, la découverte d'une nouvelle particule émergente dans la physique de la matière condensée est véritablement rare et étonnant.”

Pour l’instant, ces idées seront utilisées pour élargir notre compréhension de l’ordre des états Hall quantiques fractionnaires connus dans un « tableau périodique ». Il est particulièrement remarquable dans ce processus que la particule de fermion composite émergente est unique dans la mesure où l'électron capture six quanta de flux magnétique quantifiés, formant le fermion composite le plus complexe connu à ce jour.

“La numérologie de ce casse-tête physique complexe nécessite une certaine patience”, explique Haoyun Huang, doctorant de Csathy. “Prenons l'exemple de l'état fractionnaire nu=2/3. Puisque 2/3=2/(2*2-1), l'état nu=2/3 appartient à la famille des deux flux. De même, pour l’état fractionnaire nu=2/7, 2/7=2/(2*4-1), cet état appartient donc à la famille des quatre flux. En revanche, les états fractionnaires que nous avons découverts sont étroitement liés à 2/11=2/(2*6-1). Avant nos travaux, aucun état de Hall quantique fractionnaire entièrement quantifié n'avait été observé pouvant être associé à des fermions composites à six flux. La situation était complètement différente sur le plan théorique : l’existence de ces types de fermions composites a été prédite par Jainendra Jain dans sa théorie très influente des fermions composites publiée en 1989. La quantification associée n’a pas été observée au cours de ces 34 années. »

Le matériel utilisé dans cette étude a été cultivé par une équipe de l’Université de Princeton dirigée par Loren Pfeiffer. La qualité électrique du semi-conducteur GaAs a joué un rôle majeur dans le succès de cette recherche. Selon Csathy, ce groupe de Princeton est le leader mondial dans la production de matériaux à base de GaAs de la plus haute qualité.

“Le GaAs qu'ils cultivent est très spécial, car le nombre d'imperfections est étonnamment faible”, dit-il. “La combinaison d'un faible désordre et de l'expertise en mesure des très basses températures du laboratoire Csathy a rendu ce projet possible. L'une des raisons pour lesquelles nous mesurions ces échantillons est que très récemment, le groupe de Princeton a considérablement amélioré la qualité du semi-conducteur GaAs, telle que mesurée. par les infimes quantités de défauts présents. Ces échantillons améliorés continueront, à coup sûr, à constituer un terrain de jeu pour la nouvelle physique.

Cette découverte passionnante fait partie des recherches en cours menées par l'équipe de Csathy. L’équipe continue de repousser les limites de la découverte dans sa quête persistante de la physique électronique topologique.

Les mesures à basse température dans le laboratoire de Csathy ont été soutenues par le Département américain de l'énergie, Office of Science, Basic Energy Sciences, sous le numéro DE-SC0006671. Les efforts de croissance des échantillons de l’équipe de Princeton ont été soutenus par la subvention de la Fondation Gordon et Betty Moore n° GBMF 4420 et la subvention MRSEC de la National Science Foundation n° DMR-1420541.