La physique, dans sa quête incessante de compréhension des fondements de notre univers, nous révèle parfois des phénomènes qui défient notre intuition. L’un de ces phénomènes, la charge fractionnelle, a récemment été observé dans un matériau surprenant : le graphène. Cette découverte, rapportée dans la prestigieuse revue Nature par une équipe de physiciens du MIT, pourrait marquer un tournant dans le développement de l’informatique quantique.
Le graphène, une couche atomique de carbone issue du graphite, est bien connu pour ses propriétés exceptionnelles, notamment sa résistance et sa conductivité électrique. Cependant, l’observation de l’effet Hall quantique fractionnaire anomale dans ce matériau a surpris la communauté scientifique. Cette particularité, qui se manifeste sans l’application d’un champ magnétique externe, a été mise en évidence dans une structure composée de cinq couches de graphène superposées.
Long Ju, professeur assistant de physique au MIT et auteur de l’étude, souligne l’importance de cette découverte : « Le graphène à cinq couches est un système matériel où de nombreuses bonnes surprises se produisent. La charge fractionnelle est tellement exotique, et maintenant nous pouvons réaliser cet effet avec un système beaucoup plus simple et sans champ magnétique. »
Implications pour l’informatique quantique
L’effet de Hall quantique fractionnaire est un exemple de phénomène émergent lorsque les particules cessent de se comporter comme des unités individuelles pour agir collectivement. Cette interaction peut produire des états électroniques rares, comme la division de la charge d’un électron. La possibilité de contrôler ces états dans le graphène ouvre la voie à une forme d’informatique quantique plus résiliente aux perturbations.
La combinaison de l’effet Hall quantique fractionnaire et d’un supraconducteur pourrait permettre de réaliser un calcul quantique topologique, une forme de calcul quantique où la topologie offre une protection supplémentaire aux qubits. Cette découverte dans le graphène, un matériau qui peut également être un supraconducteur, suggère la possibilité de coexister deux effets totalement différents dans le même matériau, facilitant ainsi la communication entre qubits.
Une voie prometteuse pour la recherche future
L’équipe du MIT continue d’explorer le graphène multicouche à la recherche d’autres états électroniques rares. « Nous plongeons pour explorer de nombreuses idées de physique fondamentale et applications », déclare Long Ju. Cette recherche ouvre non seulement de nouvelles voies pour l’informatique quantique mais enrichit également notre compréhension de la physique fondamentale.
La découverte de la charge fractionnelle dans le graphène illustre la capacité de la science à nous surprendre et à repousser les limites de ce que nous considérons comme possible. Elle témoigne de l’importance de la recherche fondamentale et de son potentiel pour révolutionner la technologie.
Légende illustration : « L’effet Hall quantique fractionnaire a généralement été observé sous des champs magnétiques très élevés, mais les physiciens du MIT viennent de l’observer dans du graphène simple. Dans un super-réseau moiré à cinq couches de graphène/nitrure de bore hexagonal (hBN), les électrons (boule bleue) interagissent fortement entre eux et se comportent comme s’ils étaient divisés en charges fractionnaires.
Article : « Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene » – DOI: s41586-023-07010-7
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