Représentation d'artiste d'une transition induite par un désordre vers la phase topologique de l'isolant d'Anderson. Une rivière qui coule le long d'un chemin rectiligne est altérée par le désordre dans le paysage sous-jacent. Après avoir traversé une transition (cascade), la rivière forme une boucle fermée - une forme avec une topologie différente de celle du chemin initialement rectiligne. Dans la phase d'isolant topologique d'Anderson, la structure de bande triviale d'un matériau normal est transformée en une structure de bande topologiquement non triviale en raison du désordre et des perturbations dans les couplages tunnel entre les sites du réseau. Le nombre d'enroulements dans la phase topologique de l'isolant d'Anderson est distinct de celui du cas normal sans désordre. Crédit :Lachina Creative, droits d'auteur Bryce Gadway, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Les isolants topologiques (IT) abritent une physique exotique qui pourrait apporter un nouvel éclairage sur les lois fondamentales de la nature. Quoi de plus, les propriétés inhabituelles des TI sont extrêmement prometteuses pour les applications technologiques, y compris en informatique quantique, stockage de données miniaturisé de nouvelle génération, et la spintronique. Des scientifiques du monde entier s'efforcent de comprendre les propriétés microscopiques de ces matériaux qui conduisent librement l'électricité le long de leurs bords, même si leur masse est un isolant.
Maintenant, une équipe de physiciens expérimentaux de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a fait la première observation d'un type spécifique de TI induit par un trouble. Le professeur Bryce Gadway et ses étudiants diplômés Eric Meier et Alex An ont utilisé la simulation quantique atomique, une technique expérimentale utilisant des lasers finement réglés et des atomes ultrafroids environ un milliard de fois plus froids que la température ambiante, pour imiter les propriétés physiques des fils électroniques unidimensionnels avec un désordre réglable avec précision. Le système commence par une topologie triviale juste en dehors du régime d'un isolant topologique; l'ajout de désordre pousse le système dans la phase topologique non triviale.
Ce type d'isolant topologique induit par le désordre est appelé isolant topologique d'Anderson, nommé d'après le célèbre physicien théoricien et lauréat du prix Nobel Philip Anderson, un ancien élève de University Laboratory High School sur le campus de l'U of I. Étonnamment, tandis que le désordre inhibe généralement le transport et détruit la topologie non triviale, dans ce système, il aide à stabiliser une phase topologique.
L'observation a été rendue possible grâce à une étroite collaboration avec une équipe internationale de physiciens théoriciens de l'U of I, à l'Institut des sciences photoniques (ICFO), et à l'Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en Espagne, qui a élucidé la physique quantique à l'œuvre et identifié la signature clé que les expérimentateurs devraient rechercher dans le système.
Commentaires du physicien théoricien Pietro Massignan de l'UPC et de l'ICFO, "Intuitivement, on pourrait penser que le désordre doit jouer contre la conductance. Par exemple, courir est facile en plein champ, mais devient de plus en plus difficile à mesure que l'on se déplace dans une forêt de plus en plus dense. Mais ici, nous montrons qu'un trouble convenablement adapté peut en fait déclencher des excitations conductrices particulières, appelés modes de bord topologiquement protégés."
Meier est l'auteur principal de l'article. "De façon intéressante, " il ajoute, "dans un système topologique 3-D ou 2-D, ces états de bord seraient caractérisés par des électrons circulant librement. Mais dans un système 1D comme le nôtre, les états périphériques sont simplement assis là, à chaque extrémité du fil. Dans n'importe quel TI, les états limites ont la dimensionnalité de votre système moins un. Dans notre isolateur topologique Anderson 1D, les états limites ne sont fondamentalement que des points. Alors que la physique des limites est en fait un peu ennuyeuse dans ce système, il y a une dynamique riche en cours dans la majeure partie du système qui est directement liée à la même topologie - c'est ce que nous avons étudié."
L'observation expérimentale du groupe valide le concept d'isolants topologiques d'Anderson qui a été élaboré il y a environ une décennie. La phase d'isolant topologique d'Anderson a été découverte théoriquement pour la première fois par J. Li et al. en 2009, et son origine a été expliquée plus en détail par C. W. Groth, et al. cette même année. Cinq ans plus tard, une paire d'oeuvres, un par A. Altland et al. et un par le groupe de Taylor Hughes à l'U of I travaillant avec le groupe d'Emil Prodan à l'Université Yeshiva, a prédit l'apparition de l'isolant topologique d'Anderson dans des fils unidimensionnels, comme réalisé dans les nouvelles expériences du groupe Gadway.
Université de l'Illinois à Urbana Champaign Les professeurs de physique Bryce Gadway (à l'extrême droite) et Taylor Hughes (deuxième à droite) posent avec les étudiants diplômés Alex An (à gauche) et Eric Meier, dans le laboratoire de Gadway au Loomis Laboratory of Physics. Crédit :L. Brian Stauffer, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Gadway souligne, "Notre prise sur cette recherche a été vraiment inspirée par la prédiction de 2014 de Taylor Hughes et de son étudiant diplômé Ian Mondragon-Shem à l'Université d'I. Taylor était un collaborateur clé. De même, nos collègues en Espagne ont apporté une énorme contribution en introduisant le concept de déplacement chiral moyen, qui permet de mesurer la topologie directement dans la masse du matériau."
"Travailler avec Taylor, " Gadway ajoute, "nos collègues espagnols ont trouvé que le déplacement chiral moyen est essentiellement équivalent à l'invariant topologique d'un tel système unidimensionnel, quelque chose appelé le nombre d'enroulement. Cela était essentiel pour que nous puissions prendre les données sur le système et relier ce que nous avons vu dans l'expérience à la topologie du système. C'était un projet où la présence d'une multitude de théoriciens était d'une grande aide, à la fois pour effectuer les bonnes mesures et pour comprendre ce que tout cela signifiait."
"C'est un résultat passionnant en termes d'applications potentielles, " affirme Gadway. " Cela suggère que nous pourrions être en mesure de trouver des matériaux réels qui sont presque topologiques que nous pourrions manipuler par dopage pour les imprégner de ces propriétés topologiques. C'est là que la simulation quantique offre un énorme avantage par rapport aux matériaux réels - c'est bon pour voir des effets physiques très subtils. Notre « désordre du concepteur » est contrôlable avec précision, où dans de vrais matériaux, le désordre est aussi désordonné qu'il y paraît, c'est incontrôlable."
"Le dispositif expérimental de Gadway est le rêve d'un théoricien, " ajoute Massignan. " C'était comme jouer avec des LEGO :le modèle que nous avions envisagé pouvait être construit pas à pas, dans un vrai laboratoire. Chaque élément de l'hamiltonien que nous avions en tête pouvait être implémenté de manière très prudente, et changé en temps réel."
Le chercheur postdoctoral de l'ICFO Alexandre Dauphin ajoute :« Cette plateforme est également très prometteuse pour étudier les effets à la fois de l'interaction et du désordre dans les systèmes topologiques, ce qui pourrait conduire à une nouvelle physique passionnante."
Le directeur du programme NSF, Alex Cronin, supervise le programme de financement qui a soutenu cet effort expérimental. Il souligne l'importance de cette recherche fondamentale qui utilise avec succès des systèmes quantiques d'ingénierie pour découvrir une nouvelle physique :« Avant d'avoir des ordinateurs quantiques à grande échelle pour étudier un large éventail de systèmes exotiques, nous avons déjà des simulateurs quantiques comme celui-ci qui produisent des résultats en ce moment. C'est excitant de voir de nouvelles découvertes faites avec des simulateurs quantiques comme celui-ci."
Ces résultats ont été publiés en ligne par la revue Science jeudi, 11 octobre, 2018. Après avoir soumis leurs travaux à la revue, les chercheurs de cette étude ont appris l'observation parallèle de ce même phénomène par une autre équipe de recherche de l'université de Rostock, Allemagne.
"Leur équipe a utilisé des guides d'ondes photoniques pour imiter les propriétés physiques de ce même type de système, et ils ont étudié les propriétés à la frontière du système. Nous avons utilisé des atomes froids et observé des propriétés en vrac pour obtenir une visualisation très claire de la topologie, " déclare Gadway. " Ces deux travaux étaient complémentaires et ensemble, ils illustrent comment divers systèmes physiques peuvent être contrôlés et amenés à présenter le même genre de phénomènes intéressants. "
