A l'aide d'un simulateur quantique atomique, des scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont réalisé la toute première observation directe de courants chiraux dans l'isolant topologique modèle, le système Hall quantique entier 2-D.

Les isolants topologiques (IT) sont sans doute la classe de matériaux la plus prometteuse découverte ces dernières années, avec de nombreuses applications potentielles théorisées. C'est parce que les TI présentent une qualité particulière :la surface du matériau conduit l'électricité, tandis que le gros agit comme un isolant. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont largement sondé les propriétés microscopiques des TI, pour mieux comprendre la physique fondamentale qui régit leur comportement particulier.

La simulation quantique atomique s'est avérée un outil important pour sonder les caractéristiques des TI, car il permet aux chercheurs un meilleur contrôle et de plus grandes possibilités d'exploration de régimes actuellement non accessibles dans des matériaux réels. Des faisceaux laser finement réglés sont utilisés pour piéger des atomes de rubidium ultrafroids (environ un milliard de fois plus froids que la température ambiante) dans une structure en réseau qui simule avec précision la structure des matériaux idéaux.

Alex An, un étudiant diplômé en physique travaillant sous la direction du professeur adjoint Bryce Gadway à l'Illinois, est l'auteur principal de l'étude, "Observation directe des courants chiraux et de la réflexion magnétique dans les réseaux de flux atomiques, " récemment publié dans Avancées scientifiques .

Le système Hall quantique entier 2D dans les matériaux réels est caractérisé par un champ magnétique qui amène les électrons à effectuer des trajectoires fermées, comme une simple orbite carrée fermée autour de quatre sites d'un réseau carré bidimensionnel, afin d'acquérir un déphasage. connue sous le nom de phase Aharonov-Bohm. L'amplitude de ce déphasage dépend de l'intensité du champ magnétique entouré par la trajectoire.

An explique, "Autant dans le système électronique que dans notre système simulé, les champs magnétiques donnent lieu à une topologie non triviale :tandis que les particules dans la majeure partie du système subissent des orbites autour de cellules à quatre sites, les particules de bord ne peuvent pas subir des orbites complètes et s'écoulent plutôt cycliquement autour du bord de l'ensemble du système, générer des courants chiraux. Ces phénomènes microscopiques conduisent à une conductance quantifiée macroscopique, qui a été mesurée dans des matériaux comme le graphène et dans des gaz d'électrons 2D basés sur des hétérostructures semi-conductrices."

Pour cette étude, l'équipe a développé une nouvelle technique de simulation atomique-quantique qui a permis aux scientifiques d'observer directement les courants chiraux pour la toute première fois. Les scientifiques ont utilisé une douzaine de lasers pour piéger et refroidir les atomes de rubidium à des températures nano-Kelvin. Ensuite, ils ont configuré les atomes ultrafroids dans un réseau périodique, en analogie précise avec les électrons dans la structure cristalline périodique d'un matériau réel. Puis, en utilisant leur nouvelle technique, les scientifiques ont manipulé le champ magnétique synthétique pour observer le comportement émergent des électrons.

"Alors que d'autres chercheurs travaillant en physique atomique-moléculaire-optique créent ce réseau dans l'espace réel, nous relions plutôt les états de quantité de mouvement atomique pour créer un réseau qui n'est pas dans un réel, dimension physique, mais dans une dimension 'synthétique', ou l'espace de quantité de mouvement, " An se différencie. " Nous relions ces états à l'aide d'une paire de faisceaux laser qui peuvent conférer une impulsion photonique aux atomes en paquets discrets. "

An poursuit en expliquant comment cette nouvelle approche offre un meilleur contrôle des paramètres de réseau au niveau du site individuel, permettant aux scientifiques de concevoir des phases sur les atomes lorsqu'ils se déplacent entre les sites du réseau.

"Avec l'ajout d'une deuxième paire de faisceaux laser, nous créons un entièrement synthétique, réseau 2-D d'états de quantité de mouvement, " il continue, « En raison de notre contrôle résolu par le site sur le treillis, nous pouvons appliquer différents flux magnétiques synthétiques à chaque cellule à quatre sites. Ainsi, là où des études antérieures ont construit des systèmes bidimensionnels avec une dimension d'espace réel et une dimension synthétique, notre approche entièrement synthétique nous permet de faire quelques choses uniques.

"D'abord, nous avons la capacité de créer des modèles de flux homogènes et non homogènes - ce dernier n'est actuellement pas réalisable dans les systèmes de l'espace réel. Deuxièmement, nous démontrons la capacité d'ajuster rapidement et facilement le flux d'un champ homogène sur toute la plage de valeurs de flux - ceci a maintenant été réalisé dans une configuration en espace réel, à peu près en même temps que notre travail. Et enfin, notre nouvelle technique permet l'observation directe résolue par site des courants chiraux. L'observation directe des courants chiraux sous-jacents n'a pas été possible dans des matériaux réels."

Dans l'étude des flux homogènes, l'équipe a observé les courants chiraux d'un champ magnétique artificiel homogène pour toute la plage de valeurs de flux appliquées (-π à π). Un flux positif a fait circuler les atomes de surface dans le sens des aiguilles d'une montre autour du système, et un flux négatif induit un contraire, flux dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le système conçu a permis à l'équipe de régler rapidement et facilement le flux appliqué sur toute la plage de valeurs de flux, au-delà de la gamme des matériaux conventionnels et avec plus de polyvalence que les systèmes atomiques dans l'espace réel.

Puis, dans l'étude des flux inhomogènes, l'équipe a conçu une dislocation brutale dans le champ magnétique artificiel en combinant ce système topologiquement non trivial avec une région topologiquement triviale de flux nul. Ils ont observé que la population atomique se reflétait sur la frontière entre ces deux régions, avec une réflexion maximale à la plus grande différence de flux. Un sens de la réflexion plus traditionnel, comme une balle rebondissant sur un mur, nécessite un changement dans le paysage énergétique potentiel. Cependant, cette réflexion magnétique se produit uniquement en raison de la différence de topologie. Ce phénomène serait très difficile à étudier avec d'autres systèmes atomiques, et serait essentiellement impossible à étudier dans de vrais matériaux électroniques. "Pour un vrai matériel électronique, l'ingénierie d'une telle augmentation progressive du flux magnétique nécessiterait un saut de l'intensité du champ magnétique de 104 Tesla sur quelques angströms - une situation folle que nous sommes cependant en mesure de simuler à l'aide d'un système atomique contrôlé, " dit Gadway.

An souligne que, tandis que les TI ont d'énormes implications pour les futures applications technologiques, c'est de la recherche fondamentale, et ces découvertes n'iront pas immédiatement dans un appareil de poche comme un smartphone.

"Nous espérons faire la lumière sur des phénomènes similaires dans des matériaux réels en les étudiant dans notre système atomique, " partage An. " L'effet Hall quantique entier que nous étudions dans ce travail est marqué par des phénomènes macroscopiques comme la conductance quantifiée qui ont été étudiés dans des matériaux réels, mais le sous-jacent, les états de bord chiraux microscopiques qui donnent lieu à ces phénomènes ont été hors de portée des matériaux réels, mais pas hors de la portée de notre système ! De la même manière, nous espérons mieux comprendre le fonctionnement sous-jacent de systèmes plus complexes, alimenté par un désir fondamental de comprendre et comme un moyen de construire à terme de vrais matériaux qui présentent les mêmes propriétés. »

Dans les études futures, l'équipe prévoit de concevoir des systèmes ayant des géométries bidimensionnelles similaires, avec des caractéristiques topologiques plus complexes.

"L'un de ces systèmes est constitué de deux fils topologiques couplés comme ceux présentés dans nos précédents travaux sur le modèle Su-Schrieffer-Heeger. Le groupe de Smitha Vishveshwara a prédit qu'en ajoutant un désordre spécifique à ce système, nous pourrons peut-être sonder l'insaisissable spectre du papillon Hofstadter. Nous espérons également étudier un nouveau type de système « isolateur multipolaire » récemment proposé par Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, et collaborateurs. Ce système serait caractérisé par des modes de coin topologiques portant une charge quantifiée fractionnaire. »