Les physiciens de l'ETH ont développé une plaquette de silicium qui se comporte comme un isolant topologique lorsqu'elle est stimulée à l'aide d'ultrasons. Ils ont ainsi réussi à transformer un concept théorique abstrait en un produit macroscopique.

La procédure habituelle est la suivante :vous avez un système physique complexe et essayez d'expliquer son comportement à l'aide d'un modèle aussi simple que possible. Sébastien Huber, Professeur assistant à l'Institut de physique théorique, a montré que cette procédure fonctionne également en sens inverse :il développe des systèmes macroscopiques qui présentent exactement les mêmes propriétés prédites par la théorie, mais qui n'ont pas encore été observés à ce niveau.

Il a réussi à créer un exemple illustratif il y a deux ans et demi. Avec son équipe, il a construit un dispositif mécanique composé de 270 pendules reliés par des ressorts de telle sorte que l'installation se comporte comme un isolant topologique. Cela signifie que le pendule et les ressorts sont positionnés de manière à ce qu'une excitation vibratoire de l'extérieur ne déplace les pendules qu'aux bords de l'installation, mais pas ceux du milieu (comme l'a rapporté ETH News).

Vibration uniquement dans les coins

Le nouveau projet, qui paraîtra cette semaine dans la revue La nature , se concentre également sur un système macroscopique. Cette fois, cependant, il n'a créé aucun grand appareil mécanique, mais un objet de taille beaucoup plus maniable. Avec son équipe, Huber a créé une plaquette de silicium de 10 x 10 centimètres composée de 100 petites plaques reliées les unes aux autres par de minces faisceaux. L'aspect clé est que lorsque la plaquette est stimulée à l'aide d'ultrasons, seules les plaques dans les coins vibrent; les autres plaques restent immobiles, malgré leurs relations.

Huber a puisé son inspiration pour le nouveau matériel dans un ouvrage publié il y a environ un an par des groupes d'Urbana-Champaign et de Princeton; les chercheurs ont présenté une nouvelle approche théorique pour un isolant topologique de second ordre. "Dans un isolant topologique classique, les vibrations ne se propagent qu'à la surface, mais pas à l'intérieur, " explique Huber. " Le phénomène est réduit d'une dimension. " Dans le cas de l'installation pendulaire, cela signifie que l'agencement bidimensionnel a conduit à un modèle de vibration unidimensionnel le long des bords.

Dans un isolant topologique du second ordre, cependant, le phénomène est réduit de deux dimensions. Par conséquent, avec une plaquette de silicium bidimensionnelle, la vibration ne se produit plus le long des bords, mais seulement dans les coins, en un point de dimension zéro. "Nous sommes les premiers à réussir à créer expérimentalement l'isolant topologique d'ordre supérieur prédit, " dit Huber.

Un nouveau concept théorique

Huber a de nouveau créé quelque chose qui se comporte exactement de la manière prédite par la théorie. Pour résoudre ce "problème inverse", il a utilisé un processus systématique qu'il a développé avec le groupe dirigé par Chiara Daraio, maintenant professeur à Caltech, et qu'il a publié cette semaine dans la revue Matériaux naturels . D'une manière générale, Huber montre comment une fonctionnalité théoriquement prédite peut être transformée en géométrie concrète. « Dans notre exemple, nous l'avons testé à l'aide de vibrations mécaniques, en couplant des éléments avec des modes de vibration clairement définis à l'aide de maillons faibles, " dit Huber. " Mais le processus peut aussi être transféré à d'autres applications, tels qu'aux systèmes optiques ou électriques.

Extension à la troisième dimension

Huber a déjà des plans clairs sur la façon de procéder :il veut réaliser un isolant topologique de second ordre en trois dimensions, dans lequel les vibrations peuvent être transmises de manière unidimensionnelle. Il a récemment reçu une Consolidator Grant du Conseil européen de la recherche (ERC) pour ce projet. Huber explique l'idée de base :« Nous empilons un certain nombre de ces structures bidimensionnelles les unes sur les autres, de sorte qu'une forme tridimensionnelle émerge. Sous cette forme, l'information ou l'énergie peut être acheminée d'un point A à un point B par un canal unidimensionnel."

Huber peut penser à quelques applications possibles. Par exemple, ces nouveaux isolants topologiques pourraient être utilisés pour construire des guides d'ondes robustes et précis pour les réseaux de communication. Ils pourraient également être utiles dans le secteur de l'énergie, par exemple pour la récupération d'énergie, dans lequel l'énergie d'une source environnante diffuse est concentrée pour une utilisation technologique.

Intéressant aussi les théoriciens

Les résultats de Huber n'intéresseront pas seulement les ingénieurs et les chercheurs en matériaux, mais aussi des physiciens théoriciens. "La principale découverte d'un point de vue théorique est que certains isolants topologiques de second ordre ne peuvent pas être décrits mathématiquement comme un dipôle, comme le sont les isolants topologiques conventionnels, mais comme des quadrupôles, qui sont beaucoup plus complexes, " explique Huber. " Le fait que nous ayons pu mettre cela en œuvre expérimentalement dans une structure macroscopique pour la première fois est donc aussi une avancée pour les théoriciens. "