Des physiciens du RIKEN ont démontré un état quantique unique appelé effet Hall anomal quantique dans un dispositif en forme de disque, prouvant que les états de bord ne sont pas nécessaires pour ce processus. L’équipe a démontré le pompage de charge de Laughlin dans un isolant Hall anomal quantique en utilisant un disque 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.
Des physiciens du RIKEN ont créé pour la première fois un état quantique exotique dans un dispositif à géométrie en forme de disque, montrant que les bords ne sont pas nécessaires. Cette démonstration ouvre la voie à la réalisation d’autres comportements électroniques inédits.
La physique a depuis longtemps dépassé les 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.
L’isolant topologique en est un exemple frappant : il s’agit d’une sorte de solide cristallin dont les propriétés à la surface sont radicalement différentes de celles du reste du matériau. La manifestation la plus connue de ce phénomène est que les isolants topologiques conduisent l’électricité sur leurs surfaces mais sont isolants à l’intérieur.
Une autre manifestation est ce que l’on appelle « l’effet Hall quantique anormal ».
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 dans le conducteur (et une résistance électrique correspondante).
Figure 1 : La structure en forme de beignet du dispositif utilisé dans les expériences démontrant le pompage de charge de Laughlin dans un dispositif sans bord. Crédit : © 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science
Dans certains matériaux magnétiques, ce phénomène peut se produire même lorsqu’un champ magnétique n’est pas appliqué, ce que l’on appelle l’effet Hall anormal.
« La résistance de Hall anormale peut devenir très importante dans les isolants topologiques », explique Minoru Kawamura du RIKEN Center for Emergent Matter Science. « À basse température, la résistance de Hall anormale augmente et atteint une valeur fondamentale, tandis que la résistance dans le sens du courant devient nulle. Il s’agit de l’effet Hall anomal quantique, qui a été observé pour la première fois en laboratoire il y a près de dix ans.
Aujourd’hui, Kawamura et ses collègues ont démontré un effet connu sous le nom de pompage de charge de Laughlin dans un isolant à effet Hall quantique anormal.
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 le dispositif 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 conduisait à l’accumulation de charges électriques aux extrémités du cylindre. Il s’agit du pompage de charge de Laughlin.
Les démonstrations précédentes d’isolants Hall quantiques anormaux utilisaient des dispositifs rectangulaires qui comportaient des bords reliant les électrodes. On pensait que les états électroniques de ces bords étaient essentiels pour soutenir l’isolant Hall quantique anormal.
Mais la découverte de l’équipe renverse cette hypothèse. « Notre démonstration du pompage de charge de Laughlin dans un isolant Hall anomal quantique 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 à Hall quantique anormal ».
Référence : « Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator » par Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki et Yoshinori Tokura, 19 janvier 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2