Les matériaux topologiques deviennent commutables
Recherche mondiale d'applications passionnantes
Parce qu'ils sont extrêmement stables, les "états topologiques" jouent un rôle important dans la recherche sur les matériaux. Pour la première fois, il a été possible d'activer et de désactiver ces états.
L'annihilation mutuelle de deux quasi-particules topologiques
© Raphael Bühler
Un beignet n'est pas un petit pain. Ce sont deux objets qui se distinguent très clairement : L'un a un trou, l'autre non. En mathématiques, on dit que ces deux formes sont topologiquement différentes : on ne peut pas transformer l'une en l'autre par de petites déformations continues. Par conséquent, la différence entre elles est robuste aux perturbations : Même si vous pétrissez et pliez la brioche, elle ne ressemble toujours pas à un donut.
Ces propriétés topologiques jouent également un rôle important dans la science des matériaux, bien que de manière un peu plus abstraite. Si une propriété matérielle peut être expliquée topologiquement, elle est également robuste aux perturbations : Un changement dans les conditions environnementales ne la fait pas disparaître. Aujourd'hui, pour la première fois, une équipe de chercheurs a réussi à commuter spécifiquement une telle propriété topologique : Certains états du matériau sont stables contre les perturbations dans une large gamme de paramètres, mais à partir d'un certain champ magnétique, ils peuvent être complètement désactivés. Les propriétés topologiques des matériaux sont ainsi manipulables pour la première fois.
Géométrie dans les espaces abstraits
En physique, les "propriétés topologiques" d'un matériau n'ont rien à voir avec sa forme géométrique - il ne s'agit pas d'échantillons de cristaux en forme de beignets ou de sphères. Le terme "propriétés topologiques" fait plutôt référence à l'interaction complexe des nombreux électrons du matériau.
Cette interaction peut être représentée mathématiquement de manière très spécifique. Il est souvent utile de ne pas penser à la position des électrons, mais plutôt à leur quantité de mouvement - ou en d'autres termes : à leur position dans un "espace de quantité de mouvement" abstrait. Dans de tels espaces mathématiques, il est possible d'étudier certaines propriétés du matériau, qui peuvent être distinguées les unes des autres selon des critères topologiques - comme le beignet et la brioche.
"Trouver de telles propriétés topologiques est une chose passionnante en soi ; en 2016, le prix Nobel de physique a été décerné pour les découvertes de tels états", explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. "Mais nous avons maintenant été en mesure de montrer quelque chose de complètement nouveau : nous avons réussi pour la première fois à manipuler et même à éteindre de tels états topologiques."
Des effets topologiques extrêmes sur les porteurs de charge lents
Un matériau spécial composé de cérium, de bismuth et de palladium a été utilisé à cet effet. Le groupe de recherche de Bühler-Paschen avait déjà fait plusieurs découvertes spectaculaires les années précédentes en utilisant ce matériau. Par exemple, ils ont pu démontrer un comportement topologique exotique dans ce matériau en mesurant précisément ses propriétés électriques ou thermiques.
Ce comportement résulte du fait que la charge électrique dans ce matériau se déplace d'une manière particulière. Dans un matériau électriquement conducteur ordinaire, le courant circule simplement grâce aux électrons individuels qui se déplacent dans le matériau. Dans ce matériau spécial, cependant, c'est différent. L'interaction de nombreux porteurs de charge crée ici des "quasi-particules" très spéciales - une excitation collective des porteurs de charge qui peut se propager dans le matériau, de la même manière que le son peut se propager dans l'air sous la forme d'une onde de densité sans que les particules d'air individuelles aient à se déplacer de la source sonore au récepteur.
Ces excitations se déplacent très lentement dans ce matériau. En un sens, elles ne se dépassent pas très bien les unes les autres. Et cela conduit au fait que les propriétés topologiques du matériau dans l'espace momentané ont des conséquences particulièrement fortes dans ce cas.
Désactiver les propriétés topologiques
"Nos mesures montrent que ces propriétés électriques et thermiques sont effectivement robustes, comme on peut l'attendre des propriétés topologiques d'un matériau", explique M. Bühler-Paschen. De petites impuretés ou des perturbations externes n'entraînent pas de changement spectaculaire. "Mais étonnamment, nous avons découvert qu'avec un champ magnétique externe, vous pouvez contrôler ces propriétés topologiques. On peut même les faire disparaître complètement à un certain point. Nous avons donc des propriétés stables et robustes que vous pouvez activer et désactiver de manière sélective."
Ce contrôle est rendu possible par la structure interne des excitations, qui sont responsables du transport des charges : Elles portent non seulement une charge électrique, mais aussi un moment magnétique - ce qui permet de les commuter grâce à un champ magnétique.
"Si l'on applique un champ magnétique externe de plus en plus fort, on peut imaginer que ces porteurs de charge soient poussés de plus en plus près les uns des autres jusqu'à ce qu'ils se rencontrent et s'annihilent - un peu comme une particule de matière et une particule d'antimatière si on les laisse entrer en collision", explique Silke Bühler-Paschen.
Une recherche mondiale pour des applications passionnantes
Les expériences ont été menées à la TU Wien (Vienne), mais pour certaines mesures supplémentaires, l'équipe a pu utiliser les laboratoires à haut champ de Nimègue (Pays-Bas) et du Los Alamos National Laboratory (États-Unis). Le soutien théorique a été fourni par l'université Rice (États-Unis).
"Cette contrôlabilité nouvellement découverte rend les matériaux topologiques qui ont déjà attiré tant d'attention en physique encore plus intéressants", est convaincue Silke Bühler-Paschen. Il est possible que les états topologiques commutables puissent être utilisés pour la technologie des capteurs ou des commutateurs. C'est précisément parce que les excitations dans le matériau sont si lentes et ont donc une très faible énergie qu'elles sont particulièrement intéressantes : les excitations se couplent au rayonnement dans la gamme des micro-ondes, qui est particulièrement importante pour de nombreuses applications techniques. Des applications entièrement nouvelles et plus exotiques dans le domaine de l'électronique, y compris les ordinateurs quantiques, sont également envisageables.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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