Une méthode importante pour la physique quantique : un test rapide pour les matériaux topologiques en 2D
Cette avancée pourrait contribuer à accélérer les progrès de cette classe de matériaux en plein essor
Les matériaux quantiques topologiques sont considérés comme la pierre angulaire des futures avancées technologiques. Pourtant, la validation de leurs qualités exceptionnelles a toujours été un travail de longue haleine. Des chercheurs du pôle d'excellence ct.qmat ont toutefois mis au point une technique expérimentale qui permet d'identifier systématiquement les matériaux topologiques bidimensionnels au moyen d'un test rapide. Cette avancée pourrait contribuer à accélérer les progrès de cette classe de matériaux en plein essor. Leurs résultats ont fait l'objet d'un article de tête dans la revue Physical Review Letters.
La recherche de pointe est très complexe et prend beaucoup de temps
En 2007, le professeur Laurens W. Molenkamp, membre fondateur du pôle d'excellence Würzburg-Dresden ct.qmat - Complexité et topologie dans la matière quantique, a apporté la première preuve expérimentale de l'existence d'isolants topologiques, une nouvelle classe de matériaux. Ces matériaux se distinguent par le fait que, bien que leur intérieur se comporte comme un isolant électrique, ils conduisent les électrons à leur surface sans aucune résistance. Depuis cette découverte révolutionnaire, l'intérêt mondial pour ces matériaux a explosé. Cet intérêt est motivé par leur rôle essentiel dans une révolution potentielle des matériaux et par leurs applications prometteuses dans les technologies quantiques, telles que le développement de "puces froides" qui sont puissantes, économes en énergie et ne génèrent pas de chaleur résiduelle.
"Actuellement, la détection expérimentale des isolants topologiques nécessite des recherches très complexes. Il faut une grande équipe et beaucoup de temps pour préparer un échantillon du matériau. De plus, la réussite de la détection n'est jamais assurée", note le professeur Ralph Claessen, porte-parole de ct.qmat à Würzburg.
Un test rapide pour la révolution des matériaux
Mais aujourd'hui, une équipe de recherche du ct.qmat à Würzburg a conçu une méthode systématique pour identifier les matériaux quantiques topologiques bidimensionnels en un temps record à l'aide d'une technique de mesure beaucoup plus simple. "Outre un échantillon de matériau prometteur, tout ce dont on a besoin, c'est de rayons X spéciaux", explique le Dr Simon Moser, chef de projet à l'université JMU de Würzburg. "Les particules de lumière requises doivent être à haute fréquence et polarisées circulairement, ce qui signifie qu'elles possèdent un moment angulaire. Cela peut être réalisé en utilisant n'importe quelle source de lumière synchrotron. Par exemple, nos échantillons ont été irradiés à l'Elettra Sincrotrone de Trieste et à la Diamond Light Source, l'installation nationale de rayonnement synchrotron du Royaume-Uni située sur le Harwell Science and Innovation Campus dans l'Oxfordshire.
Ce qui semble simple est en fait une avancée significative dans la recherche sur les matériaux quantiques topologiques. "Si vous obtenez un créneau dans un synchrotron, vous pouvez déterminer en une semaine environ si un matériau est un isolant topologique. Avec la méthode traditionnelle, il faut au moins une thèse de doctorat pour y parvenir", note M. Moser.
Succès de la photoémission dichroïque
L'essence de la nouvelle méthode de test rapide réside dans la photoémission dichroïque. L'échantillon de matériau est exposé plusieurs fois à une lumière à haute fréquence dont la polarisation varie. Dans un premier temps, seuls les électrons qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, par exemple, sont libérés du matériau. Ensuite, seuls les électrons tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont libérés.
Détecter les différents sens de rotation des électrons par photoémission dichroïque et découvrir ainsi leur topologie n'est pas une idée nouvelle. En 2023, une autre équipe de ct.qmat de Würzburg a utilisé cette méthode pour analyser pour la première fois la topologie d'un métal kagome. "Ils ont utilisé la photoémission circulaire pour étudier le métal kagome. Nous nous sommes concentrés sur la méthodologie et avons mis au point une sorte de recette qui fonctionne désormais toujours, et non plus par hasard", explique M. Moser pour justifier la nouvelle approche de son équipe. "Notre test rapide rend systématiquement visible la topologie des électrons.
Perspectives
Comme les chercheurs étudient depuis longtemps le matériau quantique bidimensionnel qu'est l'indénène, ils ont également utilisé ce matériau pour mettre au point la méthode de test rapide. En outre, ils appliquent déjà le principe à d'autres matériaux. Une expérience récente a consisté à irradier un échantillon de bismuthène, et les données seront analysées prochainement.
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.
Publication originale
Jonas Erhardt, Cedric Schmitt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Philipp Keßler, Kyungchan Lee, Timur Kim, Cephise Cacho, Iulia Cojocariu, Daniel Baranowski, Vitaliy Feyer, Louis Veyrat, Giorgio Sangiovanni, Ralph Claessen, Simon Moser; "Bias-Free Access to Orbital Angular Momentum in Two-Dimensional Quantum Materials"; Physical Review Letters, Volume 132, 2024-5-6
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