Une équipe de physiciens a cartographié la façon dont les énergies des électrons varient d'une région à l'autre dans un état quantique particulier avec une clarté sans précédent. Cette compréhension révèle un mécanisme sous-jacent par lequel les électrons s'influencent les uns les autres, dite "hybridation" quantique, " qui avait été invisible dans les expériences précédentes.

Les résultats, le travail des scientifiques de l'Université de New York, le Laboratoire national Lawrence Berkeley, Université Rutgers, et MIT, sont rapportés dans le journal Physique de la nature .

"Ce type de relation est essentiel pour comprendre un système d'électrons quantiques - et le fondement de tout mouvement - mais avait souvent été étudié d'un point de vue théorique et n'était pas considéré comme observable par des expériences, " explique Andrew Wray, professeur adjoint au département de physique de NYU et l'un des co-auteurs de l'article. "Remarquablement, ce travail révèle une diversité d'environnements énergétiques à l'intérieur d'un même matériau, permettant des comparaisons qui nous permettent de repérer comment les électrons se déplacent entre les états."

Les scientifiques ont concentré leurs travaux sur le séléniure de bismuth, ou Bi 2 Se 3 , un matériau qui a fait l'objet d'intenses recherches au cours de la dernière décennie en tant que base des technologies avancées de l'information et de l'informatique quantique. Des recherches menées en 2008 et 2009 ont identifié le séléniure de bismuth comme hébergeant un rare état quantique « isolant topologique » qui modifie la façon dont les électrons à sa surface interagissent avec et stockent les informations.

Depuis lors, des études ont confirmé un certain nombre d'idées d'inspiration théorique sur les électrons de surface de l'isolant topologique. Cependant, parce que ces particules sont à la surface d'un matériau, ils sont exposés à des facteurs environnementaux non présents dans la masse du matériau, les faisant se manifester et se déplacer de différentes manières d'une région à l'autre.

Le manque de connaissances qui en résulte, ainsi que des défis similaires pour d'autres classes de matériaux, a motivé les scientifiques à développer des techniques de mesure des électrons avec une résolution spatiale à l'échelle du micron ou du nanomètre, permettant aux chercheurs d'examiner l'interaction des électrons sans interférence externe.

Les Physique de la nature la recherche est l'une des premières études à utiliser cette nouvelle génération d'outils expérimentaux, appelé « spectromicroscopie » et la première enquête de spectromicroscopie de Bi 2 Se 3 . Cette procédure peut suivre la façon dont le mouvement des électrons de surface diffère d'une région à l'autre au sein d'un matériau. Plutôt que de se concentrer sur l'activité électronique moyenne sur une seule grande région sur une surface d'échantillon, les scientifiques ont collecté des données auprès de près de 1, 000 petites régions.

En élargissant le terrain par cette approche, ils ont pu observer des signatures d'hybridation quantique dans les relations entre les électrons en mouvement, comme une répulsion entre des états électroniques qui se rapprochent en énergie. Les mesures de cette méthode ont éclairé la variation des quasiparticules électroniques à travers la surface du matériau.

"En regardant comment les états électroniques varient en tandem les uns avec les autres sur la surface de l'échantillon révèle des relations conditionnelles entre différents types d'électrons, et c'est vraiment une nouvelle façon d'étudier une matière, " explique Erica Kotta, un étudiant diplômé de NYU et premier auteur de l'article. "Les résultats fournissent un nouvel aperçu de la physique des isolants topologiques en fournissant la première mesure directe de l'hybridation quantique entre les électrons près de la surface."