La structure de spin dans les atomes du cristal de lumière - il est possible de basculer entre des états simples et complexes. Crédit :Université de technologie de Vienne
Les électrons ne sont pas que de petites sphères, rebondir à travers un matériau comme une balle en caoutchouc. Les lois de la physique quantique nous disent que les électrons se comportent comme des ondes. Dans certains matériaux, ces ondes électroniques peuvent prendre des formes assez compliquées. Les matériaux dits « topologiques » produisent des états électroniques qui peuvent être très intéressants pour des applications techniques, mais il est extrêmement difficile d'identifier ces matériaux et leurs états électroniques associés.
TU Wien (Vienne) et plusieurs groupes de recherche de Chine ont maintenant développé de nouvelles idées et les ont mises en œuvre dans une expérience. Un "cristal" fait d'ondes lumineuses est créé pour contenir des atomes dans un motif géométrique très spécial. Ces "cristaux de lumière", qui ont été utilisées de différentes manières pour la manipulation des atomes, peut maintenant être utilisé pour entraîner délibérément le système hors de l'équilibre. En basculant entre les états simples et compliqués, le système révèle s'il a ou non des états topologiquement intéressants. Ces résultats ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique .
Petits pains et beignets
L'importance de la topologie peut facilement être vue si nous emballons trop de choses dans un sac à provisions :un petit pain peut être légèrement écrasé et pressé en une forme semblable à une banane. Les petits pains et les bananes ont la même structure géométrique de base, topologiquement, ce sont les mêmes. D'autre part, un beignet a un trou au milieu - sa topologie est différente. Même s'il est légèrement pressé, sa forme se distingue encore facilement de celle du petit pain.
Instruments optiques à la TU Wien. Crédit :Université de technologie de Vienne
"C'est similaire avec les états quantiques, " explique le professeur Jörg Schmiedmayer du Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) à TU Wien. "Les états quantiques peuvent avoir une topologie non triviale qui les protège de certaines perturbations. C'est ce qui les rend si intéressants pour la technologie, parce que vous devez toujours faire face à des perturbations dans chaque expérience et dans chaque application technologique du monde réel." En 2016, le prix Nobel de physique de la recherche a été décerné pour des recherches sur les états topologiques de la matière, mais il est encore considéré comme extrêmement difficile de déterminer si un certain matériau permet ou non des états quantiques topologiquement intéressants.
"Les états quantiques qui ne sont pas en équilibre, évoluent rapidement, " dit Jörg Schmiedmayer. " Cette dynamique est notoirement difficile à comprendre, mais comme nous l'avons montré, c'est un excellent moyen d'obtenir des informations extrêmement intéressantes sur le système. » Schmiedmayer a coopéré avec des équipes de recherche de Chine. « L'expérience a été dirigée par le professeur Shuai Chen, dans le groupe de recherche du professeur Jian-Wei Pan. Tous deux étaient autrefois des collaborateurs de mon groupe à Heidelberg, et depuis leur retour en Chine, nous avons travaillé en étroite collaboration, " dit Schmiedmayer. La TU Vienne et l'Université chinoise des sciences et technologies (USTC, Heifei, Chine) a signé un accord de coopération en 2016, qui a renforcé la coopération en matière de recherche, surtout dans le domaine de la physique.
Une structure de bande topologiquement triviale (à gauche), un peu comme une vallée, dans lequel une boule roulante approche du point le plus bas. La structure de droite est plus complexe. Crédit :Université de technologie de Vienne
Un déséquilibre révélateur des propriétés du matériau
Avec l'aide d'ondes lumineuses interférentes, les atomes peuvent être maintenus dans des endroits prédéfinis, créer une grille régulière d'atomes, semblable à un cristal, les atomes jouant le rôle des électrons dans un cristal à l'état solide. En changeant la lumière, la géométrie de l'arrangement atomique peut être commutée, afin d'examiner comment les états électroniques se comporteraient dans un matériau à l'état solide réel.
« Avec ce changement, un déséquilibre massif est soudain généré, " dit Jörg Schmiedmayer. " Les états quantiques doivent se réarranger et s'approcher d'un nouvel équilibre, un peu comme des balles dévalant une colline jusqu'à ce qu'elles trouvent l'équilibre dans la vallée. Et au cours de ce processus, nous pouvons voir des signatures claires qui nous indiquent si des états topologiquement intéressants doivent être trouvés ou non. "
Il s'agit d'une nouvelle idée importante pour la recherche sur les matériaux topologiques. On pourrait même adapter les cristaux de lumière artificielle pour simuler certaines structures cristallines et afin de trouver de nouveaux matériaux topologiques.
