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Tornades quantiques dans l'espace du momentum : une équipe de chercheurs apporte la première preuve expérimentale d'un nouveau phénomène quantique
Une jeune équipe de recherche de Würzburg a démontré expérimentalement pour la première fois l'existence d'une tornade quantique en affinant une méthode établie. Dans le semi-métal quantique arséniure de tantale (TaAs), les électrons dans l'espace de mouvement se comportent comme un tourbillon. Ce phénomène quantique a été prédit pour la première fois il y a huit ans par un membre fondateur du pôle d'excellence ct.qmat, basé à Dresde. Cette découverte, fruit d'une collaboration entre ct.qmat, le réseau de recherche des universités de Würzburg et de Dresde et des partenaires internationaux, vient d'être publiée dans Physical Review X.
Tornade quantique dans l'espace des quantités de mouvement
think-design | Jochen Thamm
Les scientifiques savent depuis longtemps que les électrons peuvent former des vortex dans les matériaux quantiques. Ce qui est nouveau, c'est la preuve que ces minuscules particules créent des structures semblables à des tornades dans l'espace de la quantité de mouvement - une découverte qui vient d'être confirmée expérimentalement. Maximilian Ünzelmann, chef du groupe ct.qmat (Complexité et topologie dans la matière quantique) des universités de Würzburg et de Dresde, est à l'origine de ce résultat. La démonstration de ce phénomène quantique marque une étape importante dans la recherche sur les matériaux quantiques. L'équipe espère que le comportement tourbillonnaire des électrons dans l'espace de mouvement pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies quantiques, telles que l'orbitronique, qui utiliserait le couple orbital des électrons pour transmettre des informations dans les composants électroniques au lieu de s'appuyer sur la charge électrique, ce qui permettrait de réduire les pertes d'énergie.
Espace de mouvement et espace de position
L'espace de mouvement est un concept fondamental de la physique qui décrit le mouvement des électrons en termes d'énergie et de direction, plutôt qu'en termes de position physique exacte. L'espace de position (sa "contrepartie") est le domaine dans lequel se produisent des phénomènes familiers tels que les tourbillons d'eau ou les ouragans. Jusqu'à présent, même les tourbillons quantiques dans les matériaux n'avaient été observés que dans l'espace de position. Il y a quelques années, une autre équipe de chercheurs de ct.qmat a fait des vagues dans le monde entier en capturant la toute première image tridimensionnelle d'un champ magnétique en forme de vortex dans l'espace de position d'un matériau quantique (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).
Confirmation de la théorie
Il y a huit ans, Roderich Moessner a émis la théorie qu'une tornade quantique pouvait également se former dans l'espace des quantités de mouvement. À l'époque, le cofondateur de ct.qmat, basé à Dresde, avait décrit le phénomène comme un "anneau de fumée" car, comme les anneaux de fumée, il est constitué de tourbillons. Cependant, jusqu'à présent, personne ne savait comment les mesurer. Les expériences révolutionnaires ont révélé que le vortex quantique est créé par le moment angulaire orbital, c'est-à-dire le mouvement circulaire des électrons autour des noyaux atomiques. "Lorsque nous avons vu pour la première fois des signes indiquant que les vortex quantiques prédits existaient réellement et pouvaient être mesurés, nous avons immédiatement contacté notre collègue de Dresde et lancé un projet commun", se souvient M. Ünzelmann.
La tornade quantique découverte en affinant une méthode standard
Pour détecter la tornade quantique dans l'espace des quantités de mouvement, l'équipe de Würzburg a amélioré une technique bien connue appelée ARPES (spectroscopie de photoémission résolue en angle). "L'ARPES est un outil fondamental de la physique expérimentale de l'état solide. Elle consiste à éclairer un échantillon de matériau, à en extraire des électrons et à mesurer leur énergie et leur angle de sortie. Cela nous donne un aperçu direct de la structure électronique d'un matériau dans l'espace des moments", explique Ünzelmann. "En adaptant astucieusement cette méthode, nous avons pu mesurer le moment angulaire orbital. Je travaille avec cette approche depuis ma thèse".
L'ARPES repose sur l'effet photoélectrique, décrit pour la première fois par Albert Einstein et enseigné dans les écoles secondaires de physique. Ünzelmann avait déjà affiné la méthode en 2021, obtenant une reconnaissance internationale pour avoir détecté des monopôles orbitaux dans l'arséniure de tantale. Aujourd'hui, en intégrant une forme de tomographie quantique, l'équipe a poussé la technique plus loin pour détecter la tornade quantique - une autre étape importante. "Nous avons analysé l'échantillon couche par couche, comme le fait la tomographie médicale. En assemblant des images individuelles, nous avons pu reconstruire la structure tridimensionnelle du moment angulaire orbital et confirmer que les électrons forment des tourbillons dans l'espace du moment angulaire", explique Ünzelmann.
Réseau Würzburg-Dresden : Une collaboration mondiale
"La détection expérimentale de la tornade quantique témoigne de l'esprit d'équipe de ct.qmat", déclare Matthias Vojta, professeur de physique théorique de l'état solide à l'université technique de Dresde et porte-parole de ct.qmat à Dresde. "Grâce à nos centres de physique à Würzburg et à Dresde, nous intégrons de manière transparente la théorie et l'expérience. En outre, notre réseau favorise le travail d'équipe entre des experts de premier plan et des scientifiques en début de carrière - une approche qui alimente notre recherche sur les matériaux quantiques topologiques. Et, bien sûr, presque tous les projets de physique aujourd'hui sont le fruit d'un effort mondial, y compris celui-ci".
L'échantillon d'arséniure de tantale a été cultivé aux États-Unis et analysé à PETRA III, une importante installation de recherche internationale au synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg. Un scientifique chinois a contribué à la modélisation théorique, tandis qu'un chercheur norvégien a joué un rôle clé dans les expériences.
Pour l'avenir, l'équipe ct.qmat étudie la possibilité d'utiliser l'arséniure de tantale pour développer des composants quantiques orbitaux.
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
T. Figgemeier, M. Ünzelmann, P. Eck, J. Schusser, L. Crippa, J. N. Neu, B. Geldiyev, P. Kagerer, J. Buck, M. Kalläne, M. Hoesch, K. Rossnagel, T. Siegrist, L.-K. Lim, R. Moessner, G. Sangiovanni, D. Di Sante, F. Reinert, H. Bentmann; "Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space"; Physical Review X, Volume 15, 2025-2-13
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