Les isolants topologiques sont des matériaux quantiques, lequel, en raison de leur structure électronique exotique, sur les surfaces et les bords conduisent le courant électrique comme le métal, tout en agissant comme un isolant en vrac. Des scientifiques de l'Institut Max-Born d'optique non linéaire et de spectroscopie à impulsions courtes (MBI) ont démontré pour la première fois comment distinguer les matériaux topologiques de leurs homologues ordinaires - triviaux - en un millionième de milliardième de seconde en le sondant avec ultra -lumière laser rapide. Leur méthode pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de tels matériaux comme éléments logiques dans l'électronique contrôlée par la lumière, capables de traiter des informations des dizaines de milliers de fois plus rapidement qu'il n'est actuellement possible. Leur étude est parue dans Photonique de la nature .

L'illustration la plus courante du concept de topologie implique un bretzel élastique, qui peut être étiré, courbé, ou tordu de quelque manière que ce soit ; peu importe la déformation, il est impossible de faire un bagel avec un bretzel ou d'y ajouter des trous, sans le déchirer. Le nombre de trous dans un bretzel est donc invariant et fournit des informations topologiques sur la forme du bretzel.

Dans un matériau solide, les lois de la mécanique quantique restreignent les énergies que les électrons peuvent avoir, conduisant à la formation de bandes avec des énergies autorisées ou interdites. En utilisant le concept de topologie, les physiciens peuvent décrire des formes complexes de bandes d'énergie autorisées et leur attribuer un numéro topologique spécifique. Une topologie particulière de la structure de bande dans un système de matériaux se manifeste par des propriétés exotiques qui peuvent être observées, telles que la conductivité de surface dans les isolants topologiques.

« L'aspect le plus remarquable de la topologie est sa robustesse :les propriétés induites par la topologie en sont protégées, " explique l'un des deux principaux auteurs de l'article Dr. Álvaro Jiménez-Galán de MBI. De la même manière que nous ne pouvons pas changer le nombre de trous dans un bretzel sans le casser, les impuretés et autres perturbations qui perturbent généralement la capacité du matériau à conduire l'électricité n'affectent pas la mobilité élevée des électrons à la surface des isolants topologiques. L'immunité aux impuretés est la raison pour laquelle les matériaux topologiques séduisent fortement les industries électroniques.

Faire « parler » les électrons de la topologie

Bien que la topologie du système soit profondément liée au comportement des électrons dans celui-ci, l'empreinte des propriétés topologiques sur la dynamique des électrons à l'échelle de temps du millionième de milliardième de seconde n'a pas été découverte à ce jour. En utilisant des simulations numériques et des analyses théoriques, le groupe du MBI a prouvé que les informations sur la topologie du système sont en effet codées dans cette dynamique électronique extrêmement rapide et peuvent être récupérées en regardant la lumière émise par les électrons lorsqu'ils sont excités par la lumière laser. "Si nous imaginons les électrons d'un solide se déplaçant dans des bandes d'énergie comme des coureurs sur une piste de course, ensuite notre méthode permet de se renseigner sur la topologie de cette piste de course, en mesurant simplement l'accélération des coureurs, " précise le Pr. Dr. Olga Smirnova, chef d'un groupe de théorie MBI. Les impulsions laser ultra-courtes excitent les électrons du système, les faisant sauter d'une bande d'énergie à une plus haute, en les accélérant sur la nouvelle piste. Les électrons accélérés émettent alors de la lumière et retombent rapidement en position basse. Ce processus ne dure qu'une partie infinitésimale de seconde mais est suffisant pour qu'un électron « sente » la fine différence entre les structures énergétiques des isolants triviaux et topologiques et « encode » cette information dans la lumière émise.

En route vers l'électronique ultrarapide à ondes lumineuses

Le travail actuel montre comment faire la distinction entre les isolants triviaux et topologiques à un rythme ultra-rapide, en d'autres termes, pour "lire" les informations topologiques du système en utilisant la spectroscopie laser. Pour la prochaine étape, les chercheurs du MBI prévoient d'utiliser ces connaissances pour convertir un isolant trivial en un isolant topologique et vice versa avec la lumière laser, c'est-à-dire « écrire » les informations topologiques dans un matériau à un rythme similaire. La preuve théorique de cet effet pourrait faire avancer la mise en œuvre de matériaux topologiques en électronique à commande optique, où seule la vitesse de réponse électronique à la lumière définit la limite de la vitesse de traitement de l'information.