Fractionalisation et statistique anyonique dans des circuits en régime d’effet Hall quantique

Sujet détaillé

La division des particules entre bosons et fermions est centrale en mécanique quantique. Cependant, cette distinction est remise en cause depuis les années 80. En dimension réduite, des particules, nommées « anyons », peuvent posséder une phase d’échange, dans la fonction d’onde à deux particules, intermédiaire entre 0 (bosons) et pi (fermions) [1], contrairement au cas tridimensionnel qui contraint la phase à prendre l’une de ces deux valeurs. L’existence de ces anyons a été établie récemment (2020) dans deux expériences pionnières [2] réalisées dans le régime d’effet Hall quantique fractionnaire (FQHE). Cependant, les conditions expérimentales de leur observation (températures ultra-basses, champs magnétiques au-delà de 10 T, gaz bidimensionnels d’électrons de très haute mobilité) sont peu propices à des progrès rapides et à une compréhension fine de ces objets. En outre, le régime FQH est sensible à de nombreux artefacts expérimentaux, causés par le désordre dans les échantillons, qui rendent difficile l’observation de comportements universels de ces anyons.

L’objectif de ce stage est d’élaborer et d’étudier des anyons en utilisant une approche radicalement différente, inspirée des circuits quantiques, par des interactions introduites délibérément et contrôlées de façon robuste, hors des régimes exotiques dans lesquels ceux-ci se manifestent habituellement. Cette approche s’articule autour de deux propositions théoriques récentes [3], qui suggèrent de combiner, dans un gaz 2D d’électron (à base d’hétérostructures semiconductrices ou de graphène) les canaux de bords de l’effet Hall quantique entier (IQH), partitionnés par des points contact quantiques (QPC), avec le blocage de Coulomb dans un îlot métallique micronique qui contacte électriquement le gaz. Pris isolément, les canaux de bords sont décrits simplement par une physique sans interactions. Ces dernières sont fournies par le blocage de Coulomb, dont l’intensité est contrôlée par la taille de l’îlot, et causent dans ce contexte la fractionnalisation d’électrons uniques créés par le QPC, qui ne peuvent s’accumuler sur l’îlot sans expulser des plasmons de charge fractionnaire dans chaque canal sortant de l’îlot, afin de respecter la conservation de la charge. Le montant de la fractionnalisation est donc directement déterminé par le nombre de canaux sortant. La statistique fractionnaire de ces paquets individuels, elle, est mise en évidence par une mesure fine du bruit de grenaille d’un QPC agissant comme un diffuseur en travers de l’un de ces canaux: le bruit porte une empreinte quantitative de la phase d’échange fractionnaire.

Le stage sera réalisé au sein du groupe Quantronique, qui possède de nombreux réfrigérateurs à dilution (nécessaires pour atteindre des températures négligeables devant les échelles d’énergie d’interaction), dont plusieurs équipés de champs magnétiques suffisamment élevés pour atteindre le régime d’effet Hall quantique entier. En outre, le groupe possède un savoir-faire de pointe en mesures de transport quantique et de bruit. Des premières mesures ont pu valider la faisabilité de l’approche: nous avons pu mesurer des îlots de suffisamment petite taille, présentant une interface essentiellement parfaite avec un gaz 2D d’électrons fourni par le C2N (Palaiseau). En outre de tels îlots sont réalisables dans le graphène, comme nous l’avons montré récemment [4], ce qui permet une grande polyvalence dans le choix du matériau support. Des collaborations existent déjà, pour la nano-fabrication, avec le C2N, à la fois pour les échantillons basés sur des couches semi-conductrices (D. Mailly) et ceux basés sur du graphène (R. Ribeiro-Palau, M. Kapfer). En outre une collaboration est en cours avec le laboratoire de physique de l’ENS (F. Parmentier) pour des mesures complémentaires de transport quantique de la chaleur dans des systèmes à fortes corrélations électroniques. L’analyse théorique sera menée en collaboration avec des théoriciens de MPQ, l’Université de Karlstad et le KAIST en Corée du Sud, qui sont à l’origine des propositions sur lesquelles s’appuient ce projet.

• [1] J. M. Leinaas and J. Myrheim, Nuovo Cim. B 37, 1 (1977)
• [2] H. Bartolomei et al., Science 368, 173 (2020), J. Nakamura et al., Nature Physics 16¸ 931 (2020)
• [3] J.-Y. M. Lee et al., Phys. Rev. Lett. 125 (19), 196802 (2020), T. Morel et al., Phys. Rev. B 105, 075433 (2022)
• [4] A. Zhang et al., arXiv:2601.05694 (2026), prochainement publié dans Physical Review Letters

Lieu du stage

CEA Saclay, Site de l’Orme des merisiers (91) Essonne, France

Conditions de stage

• Durée du stage : 6 mois
• Niveau d’étude requis : Bac+5
• Formation : Master 2
• Poursuite possible en thèse : Oui
• Date limite de candidature : 31 janvier 2027

Méthodes, techniques (acquises dans le futur) :
Transport quantique, réfrigération à dilution, mesures fines de transport électronique (conductance, bruit basses et hautes fréquences), nano-fabrication en salle blanche autour de gaz 2D d’électrons semi-conducteurs et de graphène

Langages informatiques et logiciels :
Python, Mathematica

Responsable du stage

Olivier MAILLET
Tél. : 01 69 08 73 33
Email :

Responsable SPEC / GQ

Hugues Pothier
Phone: 01 69 08 75 13