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Une nouvelle méthode pour mesurer une charge fractionnaire


Une nouvelle méthode pour mesurer une charge fractionnaire

Inès Safi et Eugene Sukhorukov

 

On sait, depuis les travaux de Lev landau, qu’à cause de leur répulsion électrique, les électrons dans la matière se comportent comme des entités que l’on appelle des « quasi-particules ». En général les propriétés de ces quasi-particules ressemblent beaucoup à celles des électrons dans le vide, moyennant quelques modifications, par exemple un changement de leur masse. Dans certains cas plus complexes, comme dans des conducteurs à basse dimension, ces entités deviennent très exotiques et peuvent porter une charge électrique q différente de la charge élémentaire e de l’électron libre. Plus surprenant encore, cette charge peut être plus petite que e. C’est le cas lorsqu’un gaz d’électrons bidimensionnel est soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire : c’est l’effet Hall quantique fractionnaire dont la manifestation la plus spectaculaire est que les charges sont des fractions de e (par exemple q=e/3).

 

La mise en évidence de ces « quasi-particules » et la mesure de leur charge « fractionnaire » sont une étape cruciale dans la compréhension de tels systèmes. Elles requièrent une technique expérimentale difficile. Au lieu de mesurer le courant porté par ces charges, on mesure les fluctuations de ce courant, ce qu’on appelle le bruit du courant. Le rapport entre le bruit et le courant moyen donne directement la charge des quasi-particules. Le dispositif consiste en deux conducteurs portés à deux tensions différentes V1 et V2 et séparés par une barrière isolante à travers laquelle la « quasi-particule » peut sauter par effet tunnel (voir figure ). Pour mesurer le bruit, il faut une tension continue V= V2-V1 suffisamment grande par rapport à la température, afin d’éviter que l’agitation thermique des quasi-particules ne camoufle leur nature « granulaire ». Cette méthode est difficile à mettre en œuvre et reste encore parfois sujet à controverses. L’accord entre théories et expériences n’est pas toujours satisfaisant.

 

Notre travail récent a consisté à proposer un autre protocole expérimental qui évite les difficultés d’accès au bruit de courant. Il est fondé sur une mesure d’une moyenne de courant pour le même type de géométrie. En plus de la tension continue V qui ici n’a pas besoin d’être élevée, il faut appliquer une tension alternative à fréquence ω, V(t)=V+v cosωt. Celle-ci engendre un courant qui dépend du temps, et qui peut être utilisé pour remonter à la valeur de q.
L’image simple est la suivante. La quasi-particule se trouve dans un état d’énergie à gauche différent de celui de droite (voir figure 1-b). Afin de la faire passer d’un côté à l’autre, on peut soit fournir la tension V=ΔE/q, soit la fréquence de la tension alternative ℏω. En comparant ces deux échelles, on peut déduire q.

 

Cette méthode est d’autant plus intéressante qu’elle ne nécessite pas la connaissance du modèle théorique sous-jacent pour décrire les quasi-particules, et qu’elle est robuste par rapport à des perturbations qui peuvent affecter la dépendance du courant par rapport à la tension. Ainsi, elles peuvent s’appliquer, en plus de l’effet Hall quantique fractionnaire, à des situations telles que l’interface entre un métal normal et un supraconducteur (un système dont la résistance électrique est nulle) où la charge q=2e est doublée, ainsi que dans le graphène ou les isolants topologiques.

 

Article de référence :

Ines Safi et E. V. Sukhorukov, “Determination of tunneling charge via current measurements”, Europhysics Letters 91, 67008 (2010).

 

Contact chercheur :

Inès Safi (safi@lps.u-psud.fr)