Jeunes, mes amis et moi jouions souvent avec une catégorie de jouets nouvellement mise sur le marché de l'époque, les micromachines. Ces voitures, avions et bateaux dont la valeur se trouvait, à nos yeux, inversement proportionnelle à leur taille, nous les collectionnons avec un malin plaisir. À l’Université de Sherbrooke, des grands enfants s’amusent avec des jouets vraiment plus petits que ceux offerts dans les boutiques : les microstructures quantiques.

    Construites à l’aide des techniques modernes de croissance cristalline, comme l’épitaxie par jet moléculaire, les microstructures quantiques désignent des structures, généralement composées de semiconducteurs, si petites que ses « habitants », les électrons, subissent des effets quantiques. Ces éléments, en fonction du confinement imposé, se nomment puits (2D), fils (1D) ou point (0D) quantiques. Le confinement, qui bouleverse complètement les comportements des électrons, altère subséquemment les propriétés optique et électronique de ces structures. Extrêmement miniaturisées, ces microstructures conçues « sur mesure » répondent à des besoins électroniques ou optoélectroniques très précis en matière de technologie.

Ça ne vous en dit pas encore assez? Laissez-moi donc vous donner une meilleure idée. Comme cité précédemment, l’effet Hall quantique émerge, comme plusieurs autres phénomènes, du confinement d’un gaz d’électrons. « Oui, mais c’est quoi? » L’effet Hall quantique représente, parallèlement à l’effet Hall classique (oh! surprise!), le phénomène observé lorsqu’un puits quantique (donc 2D) est soumis à un champ magnétique perpendiculaire (dans notre cas, dans la direction z). Sous l’effet de celui-ci, les niveaux d’énergie électronique (les plateaux du lapin) se subdivisent en sous niveaux d’énergie, appelés les niveaux de Landau, séparés par une énergie où représente la pulsation cyclotron. Chacun de ces niveaux peut « abriter » un certain nombre d’électrons, le taux de remplissage des « appartements » Landau se note par , où est le nombre d’électrons et , la capacité des niveaux (combien d’électrons peuvent habiter dans le même « bloc appartement »). En diminuant l’intensité du champ magnétique, on s’attendrait à voir la conductivité augmenter linéairement, comme dans l’effet Hall classique, mais le résultat n’y correspond pas exactement. Certes la conductivité croît, mais par plateaux. Le graphe (voir ci-bas) montre la résistivité (ligne bleue) augmenter par plateaux lorsque le champ magnétique augmente. La prévision classique est représentée en rouge.

    Il est aussi intéressant d’observer les effets produits lorsque le taux de remplissage avoisine un. Autrement dit, lorsqu'un « bloc appartement Landau » est rempli d'électrons et que le prochain « locataire » devra « déménager » dans le « bloc 2 », lui coûtant ainsi une énergie précise. Dans la région de remplissage 1, les électrons forment un état ferromagnétique dans lequel le sens de rotation de tous les électrons sur eux-mêmes est identique et orienté face à la source magnétique (spin haut). En conséquence, le niveau de Landau le plus près ou le plus proche « plateau » à escalader, pour un électron dans cette situation, serait de se « retourner » complètement. Autrement dit, de prendre un spin « bas ». Or, il n’est pas si simple de se retourner lorsque vous êtes un électron avec des milliers de voisins tout près de vous. En effet, il y a une certaine interaction entre les électrons. Ainsi, en tentant de se « retourner », notre électron met en branle tout un processus qui affecte ses proches, provoquant leur « renversement » partiel. Un peu comme si vous dormiez sur un lit d’eau et que votre partenaire se retournerait. Ceci donne au gaz d’électrons restreint dans deux dimensions, une texture magnétique, appelée skyrmion. Le skyrmion est un changement « global » des spins et l'orientation des spins des électrons entourant la particule rebelle semble former une sorte de vortex (voir image). Même formé de plusieurs particules, le skyrmion agit comme une seule particule grâce aux propriétés quantiques de l'électron : l'électron nouvellement ajouté est maintenant « présent » un peu partout dans le skyrmion. Ce faisant, le skyrmion interagit avec son milieu comme une particule! C’est pourquoi il joue un rôle important dans la physique des microstructures quantiques au taux de remplissage près de un. Ci-haut est illustré une image de topologie de spins, caractérisant le skyrmion. Pour vous donner une meilleure perception de l’effet d’un skyrmion, regardez ci-bas, une illustration animée du phénomène.

    Nous pouvons finalement constater que nous sommes bien loin d’être au bout de nos surprises et que l’univers quantique nous en réserve bien d’autres. Cependant, on ne peut qu’admirer les progrès technologiques impliqués. En effet, dans le domaine de l’optoélectronique, on conçoit des lasers non plus macroscopiques et ayant des fréquences imposées par la nature des gaz, mais bien microscopiques et possédant les fréquences précisément désirées par l’utilisateur. Non seulement stimulantes, les nouvelles découvertes en physique des semiconducteurs assurent ainsi le développement de nos connaissances du monde quantique promettant de futures applications littéralement surprenantes.