L'étude des propriétés des particules fondamentales dans les systèmes de matière condensée est une approche prometteuse de la théorie quantique des champs. Les quasiparticules offrent la possibilité d'observer des propriétés de particules qui n'ont pas de réalisation dans les particules élémentaires. Dans la présente étude, une équipe de recherche internationale dirigée par Angel Rubio de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière au CFEL à Hambourg et l'Université du Pays basque à Donostia-San Sebastián a prédit comment la lumière laser peut être utilisée pour créer des états de fermions de Weyl dans 3 -D matériaux Dirac et pour basculer entre semi-métal Weyl, Les états semi-métalliques et topologiques de l'isolant de Dirac sur des échelles de temps ultrarapides. Outre sa pertinence pour la physique quantique fondamentale, les résultats pourraient conduire à des applications dans la commutation ultrarapide des propriétés des matériaux. Les résultats sont publiés en ligne dans la revue Communication Nature aujourd'hui.

Dans le modèle standard de la physique des particules, les particules fondamentales qui composent toute la matière qui nous entoure - électrons et quarks - sont des fermions, du nom du célèbre physicien italien Enrico Fermi. La théorie quantique prédit que les fermions élémentaires pourraient exister sous trois types différents :Dirac, Weyl, et les fermions de Majorana, du nom de Paul Dirac, Hermann Weyl, et Ettore Majorana. Cependant, bien qu'il ait été prédit il y a près de cent ans, de ces trois types de particules, seuls les fermions de Dirac ont été observés en tant que particules élémentaires dans la nature jusqu'à présent. Avec la découverte du graphène en 2004, cependant, on s'est rendu compte que le comportement des particules libres relativistes pouvait être observé dans les propriétés électroniques des matériaux. Cela a déclenché la recherche de matériaux où ces particules fondamentales pourraient être observées et ce n'est que l'année dernière que les premiers matériaux hébergeant des fermions de Weyl ont été découverts. Alors que tout matériau connu n'héberge qu'un seul type de ces fermions dans son état d'équilibre, dans le présent travail, il est démontré comment on peut transformer la nature des fermions dans des matériaux spécifiques en utilisant des impulsions lumineuses adaptées.

Première observation de fermions de Dirac dans le graphène

L'observation des fermions de Dirac dans les propriétés du graphène provient d'une interaction complexe du grand nombre d'électrons et d'ions qui composent le matériau. Bien que chaque électron individuel interagisse avec ses ions et électrons environnants via des forces électrostatiques, le motif particulier des ions carbone dans la structure de la couche en nid d'abeille du graphène fait que les électrons se comportent collectivement comme sans masse, fermions libres – fermions de Dirac. Ces particules formant en coopération de nouvelles particules avec des propriétés différentes sont appelées quasiparticules. La chasse à d'autres matériaux hébergeant des quasiparticules se comportant comme des particules fondamentales s'est donc focalisée jusqu'à présent sur la structure cristalline des matériaux.

Création d'états topologiques pilotés par laser

C'est maintenant trouvé, cependant, qu'en irradiant un matériau avec un laser, il est également possible de combiner une quasiparticule avec les photons du champ laser pour former une nouvelle quasiparticule qui, de nouveau, peut se comporter fondamentalement différemment. En particulier, le couplage aux photons peut affecter la topologie des quasiparticules. La topologie est une propriété des particules qui conduit à des propriétés particulières, par exemple, les états de bord chiraux métalliques qui forment une autoroute quantique à sens unique sans collision le long du bord d'un isolant topologique. Cette chiralité, ou de la bravoure, est topologique dans le sens où les chiralités droitiers et gauchers sont des états discrets qui ne peuvent pas être continuellement déformés l'un dans l'autre. Le prix Nobel de physique 2016 vient d'être décerné à Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, et David Thouless pour la découverte de telles phases topologiques de la matière.

Les fermions de Dirac et de Weyl diffèrent par leur chiralité. Tout comme nos mains gauche et droite, Les fermions de Weyl se présentent par paires, où une particule est une version miroir de l'autre. Les deux partenaires sont presque identiques, pourtant ils ne peuvent pas être superposés. Fermions de Dirac, par contre, n'ont pas cette propriété.

Une approche pour créer une chiralité dans un matériau consiste à le conduire avec un faisceau laser. "Il a été réalisé il y a environ dix ans que la théorie dite de Floquet - une théorie pour les systèmes à laser qui oscillent périodiquement dans le temps - nous permet de concevoir des paramètres et des symétries dans des matériaux qui peuvent changer leur topologie, " explique Michael Sentef, Emmy Noether chef de groupe au MPSD à Hambourg. Induire la chiralité dans un matériau de fermions de Dirac en combinant ces fermions avec des photons du faisceau laser pour former de nouvelles quasiparticules peut ainsi le transformer en un matériau de fermions de Weyl.

Dans le travail present, l'équipe autour d'Angel Rubio a utilisé des simulations informatiques de haut niveau des propriétés des matériaux pour montrer comment cette transformation optique des fermions de Dirac en fermions de Weyl peut être réalisée dans un matériau réel - Na 3 Bi. Ce matériau est un semi-métal dit de Dirac tridimensionnel. Il se compose de couches d'atomes de sodium et de bismuth qui s'organisent pour former un équivalent tridimensionnel du graphène. Cette tridimensionnalité est nécessaire pour que la transformation de Dirac en fermions de Weyl ait lieu. Cela ne peut pas se produire dans une feuille de graphène à deux dimensions.

"Le défi crucial de ce travail était de faire passer les idées de la théorie et de la topologie de Floquet du niveau conceptuel des systèmes modèles au monde des matériaux réels et de démontrer que de telles transitions de phase topologiques hors équilibre peuvent être réalisées dans un contexte de science des matériaux, " dit Hannes Hübener, Boursière Marie Curie de l'Université du Pays Basque à San Sebastián et auteur principal de l'ouvrage.

De la stabilité topologique à l'électronique ultrarapide

En particulier, les auteurs ont pu montrer comment la protection topologique de la latéralité des fermions de Weyl apparaît et peut être rendue plus robuste au fur et à mesure que le champ laser est fort. « Nous avons réalisé dans nos simulations que lorsque nous avons augmenté le champ, les deux fermions de Weyl droitiers et gauchers différents se sont éloignés l'un de l'autre dans ce qu'on appelle l'espace de quantité de mouvement, dans lequel vivent les quasi-particules, " dit Sentef. " Puisque les particules droites et gauches sont antiparticules l'une de l'autre, ils doivent s'unir pour se détruire. La séparation les protège ainsi de la destruction, ce qui signifie que nous atteignons la stabilité topologique de ces quasiparticules."

Les résultats théoriques suggèrent que les expérimentateurs devraient être capables de mesurer la transformation entre les fermions de Dirac et de Weyl dans des expériences laser ultrarapides. Une façon de le faire est d'utiliser l'effet photoélectrique pour éjecter des électrons du matériau entraîné par laser, une technique appelée spectroscopie de photoémission pompe-sonde, qui est disponible à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière sous la direction du groupe Otto-Hahn Isabella Gierz et le directeur Andrea Cavalleri.

Ange Rubio, Directeur du Département Théorie MPSD, ajoute :« Ce travail ouvre de nouvelles voies passionnantes pour manipuler les propriétés des matériaux et des molécules en utilisant l'interaction fondamentale lumière-matière. Il ouvre la voie au contrôle final de leur comportement à l'échelle nanométrique et avec des cycles de commutation ultrarapides. Les scientifiques espèrent même qu'il pourrait y avoir un moyen de stabiliser les états induits par la lumière plus longtemps tout en conservant la possibilité de les commuter à des fréquences térahertz ou même plus rapides. Cela pourrait permettre à l'avenir de nouvelles électroniques ultrarapides pour les ordinateurs ultrarapides.