Imaginez deux bancs de poissons nageant en cercles dans le sens horaire et antihoraire. C'est assez pour faire tourner la tête, et maintenant, des scientifiques de l'Université Rutgers du Nouveau-Brunswick et de l'Université de Floride ont découvert le « mode de spin chiral » - une mer d'électrons tournant en cercles opposés.

"Nous avons découvert un nouveau mode de spin collectif qui peut être utilisé pour transporter de l'énergie ou de l'information avec très peu de dissipation d'énergie, et cela peut être une plate-forme pour construire de nouveaux appareils électroniques tels que des ordinateurs et des processeurs, " dit Girsh Blumberg, auteur principal de l'étude et professeur au Département de physique et d'astronomie de la Rutgers' School of Arts and Sciences.

Les modes de spin chiraux collectifs propagent des ondes de spins d'électrons qui ne transportent pas de courant de charge mais modifient les directions de « rotation » des électrons. « Chiral » fait référence à des entités, comme tes mains droite et gauche, qui sont assortis mais asymétriques et ne peuvent pas être superposés à leur image miroir.

L'étude, dirigé par Hsiang-Hsi (Sean) Kung, un étudiant diplômé du laboratoire de spectroscopie laser Rutgers de Blumberg, a été publié dans Lettres d'examen physique . Kung a utilisé un sur mesure, spectromètre ultra-sensible pour l'étude d'un prototype d'isolant topologique 3D. Un modèle théorique microscopique qui prédit l'évolution de l'énergie et de la température du mode de spin chiral a été développé par Saurabh Maiti et le professeur Dmitrii Maslov à l'Université de Floride, étayant fortement l'observation expérimentale.

Dans le vide, les électrons sont simples, particules élémentaires ennuyeuses. Mais dans les solides, le comportement collectif de nombreux électrons interagissant les uns avec les autres et la plate-forme sous-jacente peut entraîner des phénomènes qui conduisent à de nouvelles applications en supraconductivité, magnétisme et piézoélectricité (tension générée via des matériaux mis sous pression), pour n'en nommer que quelques-uns. Science de la matière condensée, qui se concentre sur les solides, liquides et autres formes concentrées de matière, cherche à révéler de nouveaux phénomènes dans de nouveaux matériaux.

Electronique à base de silicium, tels que les puces informatiques et les ordinateurs, sont l'une des inventions les plus importantes de l'histoire de l'humanité. Mais le silicium entraîne une perte d'énergie importante lorsqu'il est réduit. Une alternative consiste à exploiter les spins des électrons pour transporter des informations à travers des fils extrêmement fins, ce qui, en théorie, réduirait la perte d'énergie.

Le "mode de spin chiral" nouvellement découvert provient de la mer d'électrons à la surface des "isolants topologiques 3D". Ces isolateurs spéciaux sont non magnétiques, matériau isolant avec des surfaces métalliques robustes, et les électrons sont confinés de sorte qu'ils se déplacent uniquement sur des surfaces 2D.

Plus important encore, les axes de rotation des électrons sont de niveau et perpendiculaires à leur vitesse. Les modes de spin chiraux émergent naturellement de la surface de tels matériaux isolants, mais ils n'ont jamais été observés auparavant en raison de défauts cristallins. L'observation expérimentale dans la présente étude a été rendue possible suite au développement de cristaux ultra-propres par le doctorant Rutgers Xueyun Wang et le professeur Sang-Wook Cheong du Conseil des gouverneurs du Rutgers Center for Emergent Materials.

La découverte ouvre de nouvelles voies pour la construction d'appareils électroniques à faibles pertes de nouvelle génération.