Fractionalisation
En physique, la fractionalisation est le phénomène par lequel les quasiparticules d'un système ne peuvent être construites comme les combinaisons de ses constituants élémentaires. Un exemple important et parmi les premiers trouvés est celui de l'effet Hall quantique fractionnaire. Dans ce cas, les particules constitutives sont des électrons, mais les quasiparticules ont une charge électrique qui est une fraction de celle d'un électron[1],[2]. La fractionalisation peut être comprise comme un déconfinement des quasiparticules qui, ensemble, forment un constituant élémentaire. Dans le cas de la séparation spin-charge, par exemple, l'électron peut être considéré comme un état lié d'un "spinon" et d'un "chargeon", qui sous certaines conditions peuvent devenir libre de se déplacer séparément.
L'histoire
modifierL'effet Hall quantique a été découvert en 1980, alors qu'une conductivité quantifiée a été mesurée. Laughlin a proposé un fluide de charge fractionnaires en 1983 comme modèle pour expliquer l'effet Hall quantique fractionnaire détecté en 1982, ce qui lui a valu une part du Prix Nobel de Physique de 1998. En 1997, un courant électrique avec des porteurs ayant une charge d'un tiers celle de l'électron a été observé directement. L'effet analogue avec une charge d'un cinquième a été vu en 1999. Depuis, diverses fractions impaires ont été détectées.
Il a été montré plus tard que des matériaux magnétiques désordonnés forment des phases de spin intéressantes. La fractionalisation du spin a été observé dans les glaces de spin en 2009 et les liquides de spin en 2012.
Les charges fractionnaires demeurent un sujet de recherche actif en physique de la matière condensée. L'étude de ces phases quantiques influence la compréhension de la supraconductivité, et des isolants avec des transports de surface pour les ordinateurs quantiques topologiques.
Physique
modifierLes effets à plusieurs corps dans les phases complexes de la matière mènent à des propriétés émergentes qui ont une description en termes de quasiparticules. Dans un solide, le comportement des électrons est notamment décrit en termes de magnons, d'excitations, de trous et de charges. Les spinons, les chargeons et les anyons sont des quasiparticulaires qui n'ont pas de description en termes des éléments constituants, soient les électrons. Notamment, les anyons ont une statistique fractionnaire.
Systèmes
modifierCertains solitons en 1D, comme le mur de domaine formé dans le polyacétylène, présentent des charges électriques fractionnaires[3]. La séparation de la charge et du spin en spinons et holons a été détectée pour des électrons en 1D dans le SrCuO2[4].
Les liquides de spin présentant des excitations de spin fractionalisées peuvent se produire dans les cristaux magnétiques frustrés. Le ZnCu3(OH)6Cl2 (herbertsmithite) et le α-RuCl3 sont deux exemples bi-dimensionnels[5]. En trois dimensions, les spins de glace surviennent dans le Dy2Ti2O7 et le Ho2Ti2O, la fractionalisation des degrés de liberté mène au déconfinement de monopôles magnétiques[6]. Les excitations fractionalisées doivent être mises en contraste avec certaines quasiparticules comme les magnons et les paires de Cooper, qui ont des nombres quantiques qui sont des combinaisons des éléments constituants.
Notes
modifier- « Fractional charge carriers discovered », sur Physics World, (consulté le )
- « Localization of fractionally charged quasi-particles », Science, vol. 305, no 5686, , p. 980–3 (PMID 15310895, DOI 10.1126/science.1099950, Bibcode 2004Sci...305..980M)
- R.A. Bertlmann et A. Zeilinger, Quantum (Un)speakables : From Bell to Quantum Information, Springer Science & Business Media, , 389–91 p. (ISBN 978-3-540-42756-8, lire en ligne)
- B. J Kim, H Koh, E Rotenberg et S. -J Oh, « Distinct spinon and holon dispersions in photoemission spectral functions from one-dimensional SrCuO2 », Nature Physics, vol. 2, no 6, , p. 397–401 (DOI 10.1038/nphys316, Bibcode 2006NatPh...2..397K)
- A. Banerjee, C. A. Bridges et J.-Q. Yan, « Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet », Nature Materials, vol. 15, no 7, , p. 733–740 (PMID 27043779, DOI 10.1038/nmat4604, Bibcode 2016NatMa..15..733B, arXiv 1504.08037)
- C. Castelnovo, R. Moessner et S. Sondhi, « Spin Ice, Fractionalization, and Topological Order », Annual Review of Condensed Matter Physics, vol. 3, no 2012, , p. 35–55 (DOI 10.1146/annurev-conmatphys-020911-125058, arXiv 1112.3793)
