Transmission et réflexion de charges électroniques fractionnaires

Dans des structures semiconductrices, il est possible de confiner les électrons à l’interface de deux couches, et de former ainsi un gaz d’électrons bidimensionnel. En appliquant un champ magnétique fort, et en se plaçant à très basse température, le système passe dans un régime dit de l’effet Hall quantique entier. On observe alors la quantification extrêmement précise de la conductance (l’inverse de la résistance). Cette quantification s’explique par les propriétés topologiques du système : le courant est entièrement porté par des états unidimensionnels d’électrons le long des bords du système, et la valeur de la conductance est directement reliée au nombre d’états de bord. En augmentant encore le champ magnétique, on obtient le régime d’effet Hall quantique fractionnaire. Le rôle des interactions électroniques devient ici essentiel : si le courant est toujours porté par des états de bord, les excitations fondamentales du système ne sont plus les électrons, mais des quasiparticules de charge fractionnaire (par exemple e/3, où e est la charge électronique) qui résultent du comportement collectif des électrons en interaction.

L’expérience menée dans le groupe de M. Hashisaka à NTT Basic Research labs. à Atsugi (Japon) étudie le transport dans une jonction entre une partie du système qui est dans l’effet Hall quantique entier et une autre dans l’effet Hall quantique fractionnaire (figure). Les excitations élémentaires étant de nature différente des deux côtés de la jonction (électrons d’un côté, charge fractionnaire e/3 de l’autre côté), le transport est non-trivial. Lorsque les états de bord de deux côtés de la jonction sont fortement couplés, le processus fondamental peut se comprendre ainsi : deux quasiparticules de charge e/3 incidentes du côté fractionnaire sont transmises comme un électron du côté entier, alors qu’un trou de charge e/3 est réfléchi du côté fractionnaire. Ce processus est analogue à la réflexion d’Andreev à la jonction entre un métal normal et un supraconducteur, lorsqu’un électron est réfléchi comme un trou, avec transmission d’une paire de Cooper (2 électrons) du côté supraconducteur, ce qui mène à une conductance supérieure à celle du métal normal.

Cette expérience offre la première observation de ce transport de type Andreev dans un système de Hall fractionnaire, prévu théoriquement il y a une vingtaine d'années. Cela se manifeste sous la forme d’oscillations de la conductance lorsque l’ouverture de la jonction est changée, avec un maximum de la conductance clairement supérieur à la conductance G=⅓ (e²/h) du système fractionnaire (figure). Grâce à un modèle où les deux états de bords sont connectés en plusieurs positions - dont le nombre est proportionnel à la largeur de la jonction - les physiciens du Centre de Physique Théorique (CPT, CNRS/Aix-Marseille Univ./Univ. Toulon) à Marseille ont pu expliquer théoriquement le comportement observé de la conductance, mettant en évidence la dynamique complexe de charges microscopiques à l’interface de systèmes électroniques topologiques en interaction. Cette étude montre notamment que la réflexion de type Andreev est un phénomène général dans des systèmes hybrides en matière condensée. Elle est publiée dans la revue Nature Communications.