Les porteurs de charges fractionnaires font du bruit avec les photons !
Publié par Adrien le 30/01/2019 à 08:00
Source: CEA
Des chercheurs du CEA-Iramis ont conçu une nouvelle méthode expérimentale utilisant des photons micro-ondes, qui apporte une preuve supplémentaire de l'existence d'échanges de charges électriques, égales au tiers ou au cinquième de la charge élémentaire (La charge élémentaire est, en physique, la charge électrique d'un proton ou, de façon équivalente, l'opposé de la charge électrique d'un électron. Elle est notée e.) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). Au-delà de cette confirmation, leur expérience montre que ces porteurs de charges fractionnaires (ou "anyons") interagissent avec les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) micro-ondes et peuvent donc être manipulés. Cette découverte ouvre la voie à l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de leurs propriétés quantiques et statistiques.

L'électron est une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...) qui porte une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.), elle aussi, élémentaire et donc a priori insécable.

Pourtant, en 1997, l'équipe de l'Iramis mettait en évidence pour la première fois l'existence de charges électriques fractionnaires dans un conducteur bidimensionnel soumis à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point...) intense. Ce résultat faisait suite à la découverte fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), en 1980, de l'effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.) quantique fractionnaire. Les porteurs de ces charges fractionnaires ont alors été appelés "anyons" car ils semblent ne se comporter ni comme des fermions (électrons), ni comme des bosons (photons): any-ons !

Comment les chercheurs de l'Iramis ont-ils procédé ? Ils ont analysé le "bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.)" (ou les fluctuations) d'un très faible courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...). En effet, pour un courant fort, le bruit est proportionnel à l'intensité du courant mais pour un très faible courant à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...), il en va autrement. Les charges sont transportées individuellement et le bruit recèle des informations comme la granularité de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...). Comme si écouter la pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui fait partie du cycle de l'eau. La...) nous disait quelque chose sur la taille des gouttes...

Plus concrètement, ils ont étudié les électrons confinés à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre deux couches semi-conductrices (GaAs et AlGaAs), soumis à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) voisin de dix teslas et refroidis à 20 millikelvins. Ils ont conçu un circuit permettant aux charges électriques de s'écouler une par une et ont enregistré leurs passages au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Ils ont analysé les fluctuations observées et en ont déduit la valeur des charges transportées: e/3.

Aujourd'hui, l'équipe montre qu'il est possible de manipuler les anyons avec des photons. Pour cela, elle a réitéré la même expérience, en superposant un champ micro-ondes à la tension (La tension est une force d'extension.) continue appliquée au circuit. Ces photons micro-ondes induisent un bruit supplémentaire au-delà d'une tension électrique dont la valeur est reliée très simplement à la charge fractionnaire transportée. Non seulement cette expérience confirme et renforce les résultats publiés en 1997 par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) de la fraction e/5 mais elle démontre surtout la capacité des anyons à absorber ou émettre des photons micro-ondes.

La découverte de cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) a plusieurs implications. Il devient possible de produire des anyons à la demande et de les manipuler, ce qui ouvre la voie à une exploration tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait inédite de leurs propriétés. Ni fermion (Il existe deux grandes classes de particules élémentaires: les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire multiple de 1/2): l'électron, le muon, le...), ni boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un...): à quelle statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi...) ces particules obéissent-elles ? Il doit maintenant être possible de répondre à cette question très fondamentale.

Références

A Josephson relation for fractionnally charged anyons, Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient...)
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