L'« effet magnéto-électrique quantifié » a été démontré pour la première fois dans des isolants topologiques à TU Wien, qui devrait ouvrir de nouvelles méthodes de mesure très précises.

Une onde lumineuse envoyée à travers l'espace vide oscille toujours dans la même direction. Cependant, certains matériaux peuvent être utilisés pour faire pivoter la direction dans laquelle la lumière oscille lorsqu'elle est placée dans un champ magnétique. C'est ce qu'on appelle un effet « magnéto-optique ».

Après de nombreuses spéculations sur une longue période de temps, une variante de ce type d'effet a maintenant été démontrée à TU Wien pour la première fois. Plutôt que de changer continuellement la direction de l'onde lumineuse, des matériaux spéciaux appelés « isolants topologiques » le font par étapes quantiques dans des portions clairement définies. L'étendue de ces étapes quantiques dépend uniquement de paramètres physiques fondamentaux, comme la constante de structure fine. Il sera peut-être bientôt possible de mesurer cette constante avec encore plus de précision en utilisant des techniques optiques qu'il n'est actuellement possible avec d'autres méthodes. Les dernières découvertes ont été révélées dans la revue en libre accès Communication Nature .

Isolateurs topologiques

"Nous travaillons depuis un certain temps sur des matériaux capables de changer la direction d'oscillation de la lumière, " explique le professeur Andrei Pimenov de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. En règle générale, l'effet dépend de l'épaisseur du matériau :plus la distance à parcourir par la lumière dans le matériau est grande, plus l'angle de rotation est grand. Cependant, ce n'est pas le cas pour les matériaux que l'équipe de Pimenov a maintenant étudié de plus près avec l'aide d'un groupe de recherche de Würzburg. Ils se sont concentrés sur les « isolants topologiques », pour laquelle le paramètre crucial est la surface plutôt que l'épaisseur.

Isolateurs à l'intérieur, l'électricité peut généralement être conduite très efficacement le long de la surface d'un isolant topologique. "Même lors de l'envoi de rayonnement à travers un isolant topologique, la surface est ce qui fait toute la différence, " dit Pimenov. Lorsque la lumière se propage dans ce matériau, la direction d'oscillation du faisceau est tournée deux fois par la surface du matériau – une fois à l'entrée et une autre à la sortie.

Ce qui est le plus remarquable ici, c'est que cette rotation s'effectue dans des portions particulières, à pas quantiques, plutôt que d'être continu. L'intervalle entre ces points n'est pas déterminé par la géométrie ou par les propriétés du matériau et est plutôt défini uniquement par des constantes naturelles fondamentales. Par exemple, ils peuvent être spécifiés sur la base de la constante de structure fine, qui est utilisé pour décrire la force de l'interaction électromagnétique. Cela pourrait ouvrir la possibilité de mesurer les constantes naturelles avec plus de précision qu'auparavant et pourrait même conduire à l'identification de nouvelles techniques de mesure.

Précision de mesure accrue grâce à des matériaux spéciaux

La situation est similaire pour l'effet Hall quantique, qui est un autre phénomène quantique observé dans certains matériaux, auquel cas une variable particulière (ici la résistance électrique) ne peut augmenter que de certaines quantités. L'effet Hall quantique est actuellement utilisé pour des mesures de haute précision, sur la base de la définition standard officielle de la résistance électrique. En 1985, le prix Nobel de physique a été décerné pour la découverte de l'effet Hall quantique.

Les matériaux topologiques ont également déjà fait l'objet d'une victoire du prix Nobel – cette fois en 2016. Ces derniers résultats devraient également permettre d'utiliser des matériaux présentant des caractéristiques topologiques particulières (en l'occurrence des isolants topologiques) pour des applications techniques spécifiques. applications.