La toile des découvertes scientifiques s’est une fois de plus étendue, jetant la lumière sur un aspect complexe des matériaux quantiques topologiques. Cette réalisation, orchestrée par une équipe de scientifiques internationaux, pourrait ouvrir de nouvelles voies pour l’électronique économe en énergie et la technologie de pointe du futur.
Les matériaux quantiques topologiques sont considérés comme porteurs d’espoir pour une électronique plus efficace et des technologies de pointe. L’une de leurs caractéristiques remarquables est leur capacité à conduire des électrons polarisés en spin sur leur surface, bien qu’ils soient non conducteurs à l’intérieur.
Pour distinguer les matériaux topologiques des matériaux classiques, les scientifiques étudiaient habituellement leurs courants de surface. Cependant, la topologie d’un électron est intimement liée à ses propriétés ondulatoires quantiques et à son spin. Cette relation a maintenant été directement démontrée grâce à l’effet photoélectrique, un phénomène où les électrons sont libérés d’un matériau à l’aide de la lumière.
Visualiser la topologie des électrons avec des « lunettes 3D »
Le Professeur Giorgio Sangiovanni, membre fondateur de ct.qmat à Würzburg et l’un des physiciens théoriciens du projet, a comparé cette découverte à l’utilisation de lunettes 3D pour visualiser la topologie des électrons. Il explique : « Les électrons et les photons peuvent être décrits quantiquement à la fois comme des ondes et des particules. Par conséquent, les électrons ont un spin que nous pouvons mesurer grâce à l’effet photoélectrique. »
Pour ce faire, l’équipe a utilisé une lumière X polarisée circulairement, des particules de lumière possédant un couple. Le Pr. Sangiovanni précise : « Lorsqu’un photon rencontre un électron, le signal provenant du matériau quantique dépend de la polarisation droite ou gauche du photon. Autrement dit, l’orientation du spin de l’électron détermine la force relative du signal entre les faisceaux polarisés à gauche et à droite. Ainsi, cette expérience peut être considérée comme des lunettes polarisées dans un cinéma 3D, où des faisceaux de lumière de différentes orientations sont également utilisés. Nos ‘lunettes 3D’ rendent visible la topologie des électrons. »
Matériaux quantiques, accélérateur de particules et superordinateur
La réussite de cette recherche a nécessité trois années de travail intense pour les chercheurs. Leur point de départ était le métal kagome TbV6Sn6, un matériau quantique.
Dans cette catégorie spéciale de matériaux, le réseau atomique présente un mélange de réseaux triangulaires et hexagonaux dans une structure qui rappelle un tissage de panier japonais. Les métaux kagome jouent un rôle important dans la recherche sur les matériaux de ct.qmat.
« Avant que nos collègues expérimentaux puissent commencer l’expérience du synchrotron, nous devions simuler les résultats pour nous assurer que nous étions sur la bonne voie. Dans une première étape, nous avons conçu des modèles théoriques et effectué des calculs sur un superordinateur, » explique le Dr Domenico di Sante, chef de projet et physicien théoricien.
Les résultats des mesures concordaient parfaitement avec les prédictions théoriques, permettant à l’équipe de visualiser et de confirmer la topologie des métaux kagome.
Un réseau de recherche international
Le projet de recherche a impliqué des scientifiques d’Italie (Bologne, Milan, Trieste, Venise), du Royaume-Uni (St. Andrews), des États-Unis (Boston, Santa Barbara), et de Würzburg.
Le superordinateur utilisé pour les simulations est situé à Munich, et les expériences de synchrotron ont été réalisées à Trieste. « Ces résultats de recherche illustrent parfaitement les résultats remarquables que peuvent produire la physique théorique et expérimentale lorsqu’elles travaillent en tandem, » conclut le Professeur Sangiovanni.
En synthèse
Cette percée mondiale dans la caractérisation des matériaux quantiques topologiques a réussi à démontrer une nouvelle relation entre la topologie des électrons et leurs propriétés ondulatoires quantiques. Elle ouvre la porte à une multitude de possibilités pour l’électronique de demain et la technologie de pointe.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’effet photoélectrique ?
L’effet photoélectrique est un phénomène qui permet de libérer des électrons d’un matériau, comme le métal, à l’aide de la lumière.
Qu’est-ce qu’un matériau quantique topologique ?
Un matériau quantique topologique est un type de matériau qui a la capacité de conduire des électrons polarisés en spin sur sa surface, bien qu’il soit non conducteur à l’intérieur.
Qu’est-ce que la topologie d’un électron ?
La topologie d’un électron est étroitement liée à ses propriétés ondulatoires quantiques et à son spin.
Qu’est-ce que le spin d’un électron ?
Le spin d’un électron est son moment angulaire intrinsèque, c’est-à-dire la direction de rotation de la particule.
Qu’est-ce qu’un superordinateur et pourquoi est-il utilisé dans ce type de recherche ?
Un superordinateur est un type d’ordinateur doté d’une grande capacité de traitement, utilisé pour effectuer des calculs complexes ou des simulations de haute précision. Il est utilisé dans ce type de recherche pour simuler les résultats attendus d’une expérience.
Qu’est-ce que le métal kagome ?
Le métal kagome est un matériau quantique, dans lequel le réseau atomique présente un mélange de réseaux triangulaires et hexagonaux dans une structure rappelant un tissage de panier japonais.
Légende illustration principale : À l’aide de rayons X (en vert sur l’image), des chercheurs ont créé des effets cinématographiques en 3D sur le métal kagome TbV6Sn6. Ils ont ainsi réussi à suivre le comportement des électrons (bleu et jaune sur l’image) et ont fait un pas en avant dans la compréhension des matériaux quantiques. (Image : Jörg Bandmann/ct.qmat)
Publication / Séparation de bande plate et courbure de Berry robuste dans les métaux bicouches de Kagome. Domenico Di Sante, Chiara Bigi, Philipp Eck, Stefan Enzner, Armando Consiglio, Ganesh Pokharel, Pietro Carrara, Pasquale Orgiani, Vincent Polewczyk, Jun Fujii, Phil D.C. King, Ivana Vobornik, Giorgio Rossi, Ilija Zeljkovic, Stephen D. Wilson, Ronny Thomale, Giorgio Sangiovanni, Giancarlo Panaccione et Federico Mazzola. Nature Physics (2023). DOI: 10.5281/zenodo.7787937. https://www.nature.com/articles/s41567-023-02053-z
