Une collaboration scientifique internationale a observé pour la première fois comment le moment angulaire se transfère entre les vibrations atomiques d’un cristal. L’expérience, publiée dans Nature Physics, révèle une inversion contre-intuitive du sens de rotation et résout une question posée il y a plus d’un siècle par Einstein et de Haas.
Additionner deux rotations pour obtenir une rotation en sens inverse. Tel est le résultat contre-intuitif qu’une équipe internationale de physiciens vient d’observer directement au cœur d’un cristal, répondant à une interrogation qui taraudait la physique du solide depuis plus d’un siècle. Les résultats, publiés dans Nature Physics, constituent la première vérification expérimentale d’un transfert de moment angulaire entre phonons, les vibrations collectives qui animent les atomes d’un réseau cristallin.
Une question héritée d’Einstein et de Haas
L’expérience trouve son origine dans les travaux pionniers menés par Albert Einstein et Wander Johannes de Haas en 1915. Les deux physiciens avaient alors démontré que la modification de l’aimantation d’un matériau génère une rotation mécanique mesurable, prouvant le lien intime entre moments angulaires magnétique et mécanique. L’effet Einstein-de Haas établissait ainsi que magnétisme et rotation sont deux manifestations d’une même réalité physique. Restait une inconnue de taille : comment ce moment angulaire se redistribue-t-il ensuite à travers un réseau cristallin, porté par les phonons ? La question demeurait théorique, faute d’observation directe.
Pour combler cette lacune, des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, du Forschungszentrum Jülich, de la TU Dresden et de l’Université de technologie d’Eindhoven ont mis au point un dispositif expérimental inédit. Ils ont utilisé des impulsions laser térahertz intenses pour entraîner une vibration spécifique du réseau cristallin du séléniure de bismuth, un isolant topologique, sur une trajectoire circulaire. Une seconde impulsion laser ultrabrève a ensuite sondé une vibration couplée du cristal, permettant à l’équipe de suivre le transfert du moment angulaire d’un mode de réseau à un autre, en temps réel.
Le paradoxe « 1+1=−1 »
La découverte la plus frappante réside dans un renversement de la direction de rotation lors du transfert. Dans le séléniure de bismuth, dont le réseau cristallin possède une symétrie de rotation d’ordre trois, deux quanta de moment cinétique combinés ont produit une rotation à deux fois la fréquence, mais dans le sens opposé. Un comportement que les chercheurs décrivent comme « 1+1=−1 ». Il s’agit là de la première démonstration expérimentale d’un processus Umklapp rotationnel pour le moment cinétique du réseau cristallin, analogue au célèbre processus Umklapp qui régit le transport de chaleur dans les solides. L’inversion observée, véritable empreinte quantique, découle de la symétrie du matériau lui-même.
« Je trouve extraordinairement élégant que les lois de la physique soient directement dictées par les symétries de la nature », a déclaré Olga Minakova, chercheuse en doctorat à l’Institut Fritz Haber et physicienne expérimentale centrale de l’étude.
Des implications pour les matériaux quantiques
En confirmant que le transfert de moment angulaire phonon-phonon est médié par l’anharmonicité du réseau cristallin, l’étude comble une lacune de la physique du solide pertinente pour la relaxation de spin, la démagnétisation ultrarapide et l’effet Hall thermique. La compréhension des mécanismes fondamentaux intéresse directement les chercheurs travaillant sur la spintronique, où l’information est encodée dans le spin des électrons plutôt que dans leur charge.
Sebastian Maehrlein, chef de département à l’Institut de physique des rayonnements du HZDR, professeur à l’Université technique de Dresde et responsable de l’étude, voit dans les résultats une avancée fondamentale. « Nous avons découvert quelque chose de fondamentalement nouveau qui, je l’espère, finira par s’inscrire dans les manuels scolaires », a-t-il déclaré. À plus long terme, la maîtrise des transferts de moment angulaire pourrait nourrir le développement de nouvelles technologies de l’information et de dispositifs de mémoire exploitant les propriétés quantiques des matériaux.
Article : « Observation of angular momentum transfer among crystal lattice modes » – DOI : 10.1038/s41567-026-03274-8
Source : HZDR
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