Une équipe internationale de chercheurs a démontré l’existence de monopoles de moment angulaire orbital (MAO) dans des semi-métaux topologiques chiraux. L’étude, publiée dans Nature Physics, combine théorie et expériences menées au Swiss Light Source (SLS) de l’Institut Paul Scherrer (PSI). La découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’orbitronique, un domaine émergent qui pourrait offrir une alternative énergétiquement efficace à l’électronique traditionnelle.
Les monopoles de MAO présentent des propriétés uniques qui les rendent particulièrement intéressants pour le développement de dispositifs de mémoire à faible consommation énergétique. La méthode innovante utilisée par les chercheurs pour observer ces monopoles pourrait permettre d’explorer les textures de MAO dans divers matériaux et d’optimiser leurs applications en orbitronique.
L’orbitronique vise à utiliser le moment angulaire orbital des électrons pour traiter l’information, contrairement à l’électronique qui exploite leur charge. Le domaine suscite un intérêt croissant pour son potentiel à développer des dispositifs mémoire plus économes en énergie.
Les semi-métaux topologiques chiraux, découverts en 2019 au PSI, présentent des propriétés particulièrement intéressantes pour générer des flux de MAO. Leur structure atomique hélicoïdale leur confère naturellement des textures de MAO, sans nécessiter de stimuli externes.
Michael Schüler, co-responsable de l’étude, explique l’avantage de ces matériaux : «Les semi-métaux topologiques chiraux offrent un avantage significatif par rapport à d’autres matériaux car vous n’avez pas besoin d’appliquer des stimuli externes pour obtenir des textures de MAO – elles sont une propriété intrinsèque du matériau.»
Une méthode innovante pour observer les monopoles de MAO
Les monopoles de MAO sont des configurations où le moment angulaire orbital rayonne uniformément dans toutes les directions à partir d’un point central. La propriété d’isotropie les rend particulièrement attractifs pour l’orbitronique.
Schüler souligne l’importance de l’isotropie : «L’isotropie des monopoles de MAO est une propriété très utile car elle permet de générer des flux de MAO dans n’importe quelle direction.»
Pour démontrer l’existence des monopoles de MAO, les chercheurs ont utilisé une technique appelée dichroïsme circulaire en spectroscopie de photoémission résolue en angle (CD-ARPES). La méthode utilise des rayons X polarisés circulairement pour éjecter des électrons d’un matériau et analyser leur comportement.
L’équipe a examiné deux types de semi-métaux topologiques chiraux : des composés de palladium-gallium et de platine-gallium. En variant les énergies des photons et en développant un cadre théorique rigoureux, ils ont pu interpréter correctement les données complexes du CD-ARPES.
Schüler décrit le défi initial rencontré lors de l’analyse des données : «Au début, les données n’avaient pas de sens. Le signal semblait changer partout.»
Implications pour l’avenir de l’orbitronique
La découverte offre de nouvelles possibilités pour explorer les textures de MAO dans divers matériaux et optimiser leurs applications en orbitronique. Les chercheurs ont notamment montré que la polarité des monopoles pouvait être inversée en utilisant un cristal avec une chiralité miroir.
Les principales implications de l’étude sont :
- La confirmation expérimentale de l’existence des monopoles de MAO
- Une meilleure compréhension des propriétés des semi-métaux topologiques chiraux
- De nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs orbitroniques
- La possibilité d’explorer les textures de MAO dans une variété de matériaux
L’avancée fournit à la communauté scientifique les outils nécessaires pour explorer les textures de MAO dans une variété de matériaux. Elle ouvre la voie à de nouvelles recherches visant à développer des dispositifs orbitroniques plus efficaces et à faible consommation énergétique.
Les prochaines étapes de la recherche pourraient inclure :
- L’optimisation des propriétés des semi-métaux topologiques chiraux pour des applications spécifiques
- Le développement de prototypes de dispositifs orbitroniques utilisant les monopoles de MAO
- L’exploration d’autres matériaux présentant des textures de MAO intéressantes
En comblant le fossé entre théorie et expérience, la recherche marque une étape importante dans le domaine émergent de l’orbitronique. Elle offre de nouvelles possibilités pour concevoir des technologies de traitement de l’information plus économes en énergie, répondant ainsi aux défis environnementaux actuels.
Légende illustration : Monopoles of orbital angular momentum (OAM) are a tantalising prospect for orbitronics because OAM is uniform in all directions. This would mean that information flows could be generated in any direction. © Paul Scherrer Institute / Monika Bletry
Article : ‘Controllable orbital angular momentum monopoles in chiral topological semimetals’ / ( 10.1038/s41567-024-02655-1 ) – Paul Scherrer Institute – Publication dans la revue Nature Physics
