Les matériaux quantiques sont au cœur des systèmes d’information de demain, promettant des vitesses fulgurantes et une efficacité énergétique sans précédent. Cependant, exploiter leur potentiel transformateur dans les solides est un défi, car le grand nombre d’atomes tend à masquer les propriétés quantiques exotiques portées par les électrons. Mais une découverte récente pourrait changer la donne.
Le rôle des atomes dans les matériaux quantiques
Des chercheurs de l’Université Rice, dans le laboratoire du scientifique des matériaux quantiques Hanyu Zhu, ont découvert que les atomes peuvent également accomplir des merveilles lorsqu’ils se déplacent en cercles. Lorsque le réseau atomique d’un cristal de terre rare s’anime avec une vibration en forme de tire-bouchon, connue sous le nom de phonon chiral, le cristal se transforme en aimant.
Selon une étude publiée dans Science, exposer du fluorure de cérium à des impulsions ultra-rapides de lumière envoie ses atomes dans une danse qui recrute momentanément les spins des électrons, les amenant à s’aligner avec la rotation atomique. Cet alignement nécessiterait normalement un champ magnétique puissant pour s’activer, car le fluorure de cérium est naturellement paramagnétique avec des spins orientés aléatoirement même à température zéro.
Le mouvement chiral et ses effets
Le mouvement chiral du réseau atomique polarise les spins à l’intérieur du matériau comme si un grand champ magnétique était appliqué. Bien que de courte durée, la force qui aligne les spins dépasse de loin la durée de l’impulsion lumineuse.
Comme les atomes ne tournent qu’à des fréquences particulières et se déplacent plus longtemps à des températures plus basses, des mesures supplémentaires dépendantes de la fréquence et de la température confirment que la magnétisation se produit à la suite de la danse chirale collective des atomes.
« L’effet du mouvement atomique sur les électrons est surprenant car les électrons sont beaucoup plus légers et plus rapides que les atomes », a indiqué Hanyu Zhu, titulaire de la chaire William Marsh Rice et professeur adjoint en science des matériaux et en nano-ingénierie à Rice. « Les électrons peuvent généralement s’adapter à une nouvelle position atomique immédiatement, oubliant leur trajectoire précédente. Les propriétés du matériau resteraient inchangées si les atomes tournaient dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, c’est-à-dire s’ils avançaient ou reculaient dans le temps – un phénomène que les physiciens appellent la symétrie de renversement du temps. »
En synthèse
La découverte que le mouvement collectif des atomes rompt la symétrie de renversement du temps est relativement récente. Les phonons chiraux ont maintenant été démontrés expérimentalement dans quelques matériaux différents, mais on ne comprend pas bien comment ils affectent les propriétés des matériaux.
« Nous voulions mesurer quantitativement l’effet des phonons chiraux sur les propriétés électriques, optiques et magnétiques d’un matériau », a ajouté Hanyu Zhu. « Comme le spin fait référence à la rotation des électrons tandis que les phonons décrivent la rotation atomique, il y a une attente naïve que les deux pourraient interagir. Nous avons donc décidé de nous concentrer sur un phénomène fascinant appelé couplage spin-phonon. »
Le couplage spin-phonon joue un rôle important dans des applications concrètes comme l’écriture de données sur un disque dur. Plus tôt cette année, le groupe de Zhu a démontré une nouvelle instance de couplage spin-phonon dans des couches moléculaires uniques avec des atomes se déplaçant linéairement et secouant les spins.
Dans leurs nouvelles expériences, Hanyu Zhu et son équipe ont dû trouver un moyen de conduire un réseau d’atomes à se déplacer de manière chirale. Cela nécessitait à la fois qu’ils choisissent le bon matériau et qu’ils créent de la lumière à la bonne fréquence pour envoyer son réseau atomique en tourbillon avec l’aide de calculs théoriques de collaborateurs.
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En plus des informations sur le couplage spin-phonon tirées des résultats de la recherche, la conception expérimentale et la configuration aideront à orienter les futures recherches sur les matériaux magnétiques et quantiques.
« Nous espérons que la mesure quantitative du champ magnétique à partir de phonons chiraux peut nous aider à développer des protocoles expérimentaux pour étudier de nouvelles physiques dans les matériaux dynamiques », a conclu Hanyu Zhu. « Notre objectif est de concevoir des matériaux qui n’existent pas dans la nature grâce à des champs externes – tels que la lumière ou les fluctuations quantiques. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un matériau quantique ?
Un matériau quantique est un solide dont les propriétés sont déterminées par les effets quantiques. Ces matériaux ont le potentiel de transformer les systèmes d’information en offrant des vitesses fulgurantes et une efficacité énergétique sans précédent.
Qu’est-ce qu’un phonon chiral ?
Un phonon chiral est une vibration en forme de tire-bouchon qui se produit dans le réseau atomique d’un cristal. Lorsque cette vibration est activée, le cristal se transforme en aimant.
Comment le mouvement chiral affecte-t-il les électrons ?
Le mouvement chiral du réseau atomique polarise les spins à l’intérieur du matériau comme si un grand champ magnétique était appliqué. Cela provoque un alignement des spins qui nécessiterait normalement un champ magnétique puissant pour s’activer.
Qu’est-ce que le couplage spin-phonon ?
Le couplage spin-phonon est un phénomène où la rotation des électrons (spin) et la rotation atomique (phonons) interagissent. Ce couplage joue un rôle important dans des applications concrètes comme l’écriture de données sur un disque dur.
Quel est l’objectif de la recherche sur les matériaux quantiques ?
L’objectif est de concevoir des matériaux qui n’existent pas dans la nature grâce à des champs externes, tels que la lumière ou les fluctuations quantiques. Ces matériaux pourraient ouvrir la voie à de nouvelles technologies d’information ultra-rapides et écoénergétiques.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Les matériaux quantiques ont le potentiel de transformer les systèmes d’information. |
| Le mouvement chiral dans les matériaux quantiques peut transformer un cristal en aimant. |
| Le mouvement chiral polarise les spins à l’intérieur du matériau comme si un grand champ magnétique était appliqué. |
| Le couplage spin-phonon joue un rôle important dans des applications concrètes comme l’écriture de données sur un disque dur. |
| Le mouvement collectif des atomes rompt la symétrie de renversement du temps. |
| Les phonons chiraux ont maintenant été démontrés expérimentalement dans quelques matériaux différents. |
| L’objectif de la recherche est de concevoir des matériaux qui n’existent pas dans la nature grâce à des champs externes. |
| Les chercheurs ont dû trouver un moyen de conduire un réseau d’atomes à se déplacer de manière chirale. |
| La mesure quantitative du champ magnétique à partir de phonons chiraux peut aider à développer des protocoles expérimentaux pour étudier de nouvelles physiques dans les matériaux dynamiques. |
| Les chercheurs ont créé des impulsions lumineuses en mélangeant des lumières infrarouges intenses et en tordant le champ électrique pour « parler » aux phonons chiraux. |
Références
Sources : Science, Université Rice, Laboratoire de Hanyu Zhu
Article : « Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides » – DOI:10.1126/science.adi9601
