La courbure des baies n'est peut-être pas le concept scientifique le plus connu, mais pour de nombreux physiciens, sa mesure directe est quelque chose qui s'apparente à un Saint Graal.

Un puissant principe unificateur dans plusieurs branches de la physique classique et quantique, La courbure des baies est une propriété mécanique quantique étrange et insaisissable des solides. Elle régit la dynamique du mouvement des charges dans les semi-conducteurs mais elle-même ne peut pas être mesurée directement.

Si cela pouvait être, le calcul résultant pourrait conduire à de nouveaux matériaux pour l'informatique quantique.

Maintenant, Les physiciens de l'UC Santa Barbara ont ouvert la porte à la première mesure directe de la courbure de Berry dans la matière solide. Leur travail, publié dans la revue Examen physique X , s'appuie sur un article précédent de l'UCSB dans lequel ils décrivent des expériences aboutissant à une recollision électron-trou obtenue en pointant des faisceaux laser haute et basse fréquence sur un semi-conducteur fait d'arséniure de gallium.

Pour le nouveau papier, des scientifiques du groupe Sherwin de l'UCSB ont collaboré avec des collègues en Chine, à l'Université de Princeton et à l'U.S. Naval Research Laboratory pour améliorer l'expérience précédente. Ils ont découvert un nouveau phénomène surprenant en utilisant le même semi-conducteur soumis à des champs laser extrêmement puissants oscillant près de 1 billion de fois par seconde (1 térahertz). Appelée biréfringence dynamique, ce phénomène peut être utilisé pour étudier la courbure de Berry.

"Lorsque nous avons fait l'expérience à l'origine, nous ne pouvions détecter qu'une bande latérale à la fois et les échantillons étaient très fragiles et plus difficiles à travailler, " a expliqué l'auteur correspondant Mark Sherwin, directeur de l'Institute for Terahertz Science and Technology de l'UCSB et professeur au Département de physique.

Banques de chasseurs, auteur principal du nouveau document, installé une caméra qui a permis à l'équipe de voir toutes les bandes latérales simultanément, ce qui a diminué la durée de l'expérience et augmenté sa sensibilité. Il a également amélioré la façon dont les échantillons étaient montés et augmenté la force du champ électrique térahertz qui pouvait être appliqué.

Ces améliorations ont révélé des bandes latérales séparées jusqu'à 90 fois l'énergie photonique du térahertz, soit plus de trois fois la quantité de l'expérience originale. Sherwin a noté qu'une quantité accrue de bandes latérales a permis à l'équipe d'en apprendre davantage sur le semi-conducteur. "Pour autant que nous sachions, ce grand nombre de bandes latérales est le processus optique non linéaire d'ordre le plus élevé dans les solides, " il a dit.

Généré par un laser unique logé dans un bâtiment dédié à l'UCSB, ces expériences entraînent de fines couches de semi-conducteur alors qu'elles sont éclairées par une faible lumière infrarouge. La lumière infrarouge est polarisée de l'une des deux manières suivantes :soit parallèlement, soit perpendiculairement au champ térahertz.

"La lumière infrarouge transmise à travers le semi-conducteur présente un spectre semblable à un arc-en-ciel contenant des dizaines de fréquences, ou bandes latérales, " Expliqua Sherwin. " De façon inattendue, les bandes latérales sont généralement plus fortes lorsque le faisceau infrarouge est polarisé perpendiculairement au champ térahertz. D'une manière ou d'une autre, le térahertz définit en fait un axe qui agit comme un axe polarisant. Nous appelons ce phénomène biréfringence dynamique, et il survient comme une conséquence directe de la courbure de Berry. "

Il crée également des possibilités d'applications dans de nouvelles classes de dispositifs électroniques et optiques.

« Nous prévoyons de transformer la biréfringence dynamique en une mesure directe de la courbure de Berry, " expliqua Sherwin. " Une fois que vous pouvez mesurer quelque chose qui est une propriété de base d'un solide, alors, lorsque vous concevez de nouveaux matériaux, vous pouvez optimiser la courbure de Berry pour un appareil particulier."

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