Les connaissances de la physique quantique ont permis aux ingénieurs d'incorporer des composants utilisés dans les circuits imprimés, fibres optiques, et des systèmes de contrôle dans de nouvelles applications allant des smartphones aux microprocesseurs avancés. Mais, malgré les progrès importants réalisés ces dernières années, les chercheurs sont toujours à la recherche de nouvelles et meilleures façons de contrôler les propriétés électroniques particulièrement puissantes des matériaux quantiques.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn a révélé que les semi-métaux Weyl, une classe de matériaux quantiques, ont des états quantiques en vrac dont les propriétés électriques peuvent être contrôlées à l'aide de la lumière. Le projet a été dirigé par Ritesh Agarwal et l'étudiant diplômé Zhurun ​​Ji à la School of Engineering and Applied Science en collaboration avec Charles Kane, Eugène Mele, et Andrew M. Rappe à l'École des arts et des sciences, avec Zheng Liu de l'Université technologique de Nanyang. Zachariah Addison de Penn, Gerui Liu, Wenjing Liu, et Heng Gao, et Peng Yu de Nanyang, également contribué aux travaux. Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux naturels .

Un soupçon de ces propriétés photogalvaniques non conventionnelles, ou la capacité de générer du courant électrique à l'aide de la lumière, a été signalé pour la première fois par Agarwal dans le silicium. Son groupe a pu contrôler le mouvement du courant électrique en changeant la chiralité, ou la symétrie inhérente à l'arrangement des atomes de silicium, à la surface du matériau.

"À ce moment-là, nous cherchions aussi à comprendre les propriétés des isolants topologiques, mais nous ne pouvions pas prouver que ce que nous voyions provenait de ces états de surface uniques, " explique Agarwal.

Puis, tout en menant de nouvelles expériences sur les semi-métaux de Weyl, où les états quantiques uniques existent dans la masse du matériau, Agarwal et Ji ont obtenu des résultats qui ne correspondaient pas à des théories qui pourraient expliquer comment le champ électrique se déplace quand il est activé par la lumière. Au lieu du courant électrique circulant dans une seule direction, le courant se déplaçait autour du semi-métal dans un motif circulaire tourbillonnant.

Agarwal et Ji se sont tournés vers Kane et Mele pour aider à développer un nouveau cadre théorique qui pourrait expliquer ce qu'ils voyaient. Après avoir conduit de nouvelles, des expériences extrêmement poussées pour éliminer itérativement toutes les autres explications possibles, les physiciens ont pu réduire les explications possibles à une seule théorie liée à la structure du faisceau lumineux.

"Quand tu éclaires la matière, il est naturel de penser qu'un faisceau de lumière est uniforme latéralement, " dit Mele. " Ce qui a fait que ces expériences fonctionnent, c'est que le faisceau a une frontière, et ce qui faisait circuler le courant avait à voir avec son comportement au bord du faisceau."

En utilisant ce nouveau cadre théorique, et en incorporant les idées de Rappe sur les niveaux d'énergie des électrons à l'intérieur du matériau, Ji a pu confirmer les mouvements circulaires uniques du courant électrique. Les scientifiques ont également découvert que la direction du courant pouvait être contrôlée en modifiant la structure du faisceau lumineux, comme changer la direction de sa polarisation ou la fréquence des photons.

"Précédemment, quand les gens faisaient des mesures optoélectroniques, ils supposent toujours que la lumière est une onde plane. Mais nous avons brisé cette limitation et démontré que non seulement la polarisation de la lumière mais aussi la dispersion spatiale de la lumière peuvent affecter le processus d'interaction lumière-matière, " dit Ji.

Ces travaux permettent aux chercheurs non seulement de mieux observer les phénomènes quantiques, mais il fournit un moyen de concevoir et de contrôler des propriétés quantiques uniques en modifiant simplement les modèles de faisceau lumineux. « L'idée que la modulation de la polarisation de la lumière et l'intensité peut changer la façon dont une charge électrique est transportée pourrait être puissante idée de conception, " dit Mélé.

Le développement futur de matériaux « photoniques » et « spintroniques » qui transfèrent des informations numérisées basées respectivement sur le spin des photons ou des électrons est également rendu possible grâce à ces résultats. Agarwal espère étendre ce travail pour inclure d'autres modèles de faisceaux optiques, tels que "lumière tordue, " qui pourraient être utilisés pour créer de nouveaux matériaux d'informatique quantique permettant de coder davantage d'informations sur un seul photon de lumière.

"Avec l'informatique quantique, toutes les plateformes sont basées sur la lumière, c'est donc le photon qui est porteur de l'information quantique. Si nous pouvons configurer nos détecteurs sur une puce, tout peut être intégré, et nous pouvons lire l'état du photon directement, " dit Agarwal.

Agarwal et Mele soulignent l'effort "héroïque" de Ji, y compris les mesures d'une année supplémentaire effectuées lors de l'exécution d'un tout nouvel ensemble d'expériences qui ont été cruciales pour l'interprétation de l'étude. "J'ai rarement vu une étudiante diplômée confrontée à ce défi qui était capable non seulement de le relever mais de le maîtriser. Elle a eu l'initiative de faire quelque chose de nouveau, et elle l'a fait, " dit Mélé.