Les hétérostructures supportent les prédictions de modes de bords chargés contre-propagés à l’état Hall quantique fractionnaire v=2/3

Ils ont récemment publié leurs découvertes, “Half-Integer Conductance Plateau at the ν = 2/3 Fractional Quantum Hall State in a Quantum Point Contact”, dans Lettres d’examen physique le 17 février 2023.

L’équipe est dirigée par le Dr Michael J. Manfra, professeur émérite Bill et Dee O’Brien de physique et d’astronomie, professeur de génie électrique et informatique, professeur de génie des matériaux et directeur scientifique du Microsoft Quantum Lab West Lafayette. L’auteur principal de la publication est le Dr James Nakamura, chercheur principal. Le Dr Geoffrey Gardner et l’étudiant diplômé Shuang Liang étaient également co-auteurs de cette publication, apportant de précieuses contributions à la croissance de l’hétérostructure.

Dans l’expérience, l’équipe a produit un matériau semi-conducteur qui contient une feuille d’électrons bidimensionnels. Au-dessus de ce semi-conducteur, ils ont construit un contact ponctuel quantique constitué de grilles métalliques avec un espace très étroit de 300 nanomètres. Ils ont utilisé le contact ponctuel quantique pour diriger les états de bord conducteurs à travers l’espace étroit. Dans cette configuration, démontrée par le graphique ci-dessus, ils ont pu mesurer une conductance électrique égale à la moitié de la valeur fondamentale de e²/h. Ce résultat expérimental est cohérent avec les prédictions théoriques de longue date pour les états de bord de l’état de Hall quantique fractionnaire ν = 2/3.

“Nous avons une structure semi-conductrice qui contient des électrons disposés dans un plan, appelé système d’électrons bidimensionnel. Lorsque vous refroidissez les électrons à basse température et que vous les placez dans un champ magnétique puissant, ils forment des états spéciaux de la matière appelés états Hall quantiques. “, explique Nakamura. “A une certaine valeur du champ magnétique, l’état Hall quantique est appelé l’état Hall quantique fractionnaire ν = 2/3. Dans tous les états Hall quantiques, le courant électrique est transporté par des états de bord qui circulent autour du bord de l’échantillon, et ils sont chiraux, ce qui signifie que chaque état de bord ne circule que dans une direction (dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre).L’état ν = 2/3 est prédit par les physiciens théoriciens comme ayant la propriété spéciale qu’il existe deux états de bord qui circulent dans la direction opposée à les uns des autres, l’un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Ceci est différent de la plupart des états Hall quantiques, où tous les états de bord circulent dans la même direction. Nous avons utilisé un dispositif avec des portes métalliques appelé contact de point quantique pour contrôler les états de bord, et notre les mesures des états de bord dans les contacts de points quantiques confirment les états de bord à contre-courant dans notre appareil. Le contact de point quantique rapproche les états de bord sur les bords opposés de l’échantillon. Nous avons mesuré une valeur de el conductance électrique aux bornes de l’appareil égale à la moitié de la valeur e²/h, où e est la charge de l’électron et h est la constante de Planck. Cette valeur de la conductance est une preuve expérimentale solide que notre système a la structure de bord avec deux états de bord à contre-courant.”

Cette équipe de physiciens entièrement Purdue est uniquement mise en place pour réussir à l’Université Purdue en raison d’installations de pointe couvrant la croissance des semi-conducteurs, la nanofabrication et les mesures électriques à basse température à l’université.

“Un aspect crucial est les installations de nanotechnologie à Purdue”, explique Nakamura. “Cela inclut la machine, appelée machine MBE (épitaxie par faisceau moléculaire), qui est utilisée pour produire les structures semi-conductrices. Cette machine très spécialisée, exploitée par le groupe Manfra, nécessite une expertise pour sa construction et son fonctionnement, c’est donc un avantage essentiel chez Purdue. Liang, sous la direction de Gardner, est responsable de cet aspect de notre travail. De plus, la salle blanche du Birck Nanotechnology Center est une installation ultramoderne avec une large gamme d’équipements à notre disposition, qui nous avions l’habitude de fabriquer les portes de contact de point quantique. Avoir toutes ces ressources et expertise disponibles à une institution rend nos expériences possibles.

Cette recherche fait partie d’une quête continue pour comprendre et manipuler les anyons à charge fractionnaire dans le régime Hall quantique fractionnaire, un riche banc d’essai pour explorer l’impact de la topologie dans la physique de la matière condensée qui pourrait éventuellement être utilisé pour créer des qubits.

Cette recherche est soutenue par le US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, sous le numéro de prix DE-SC0020138.