Sur la droite, une découpe de cellule unitaire du circuit imprimé, qui a été construit pour démontrer l'effet de peau non hermitien, est montré. Dans un), le modèle théorique non hermitien sous-jacent est esquissé, qui décrit les couplages entre nœuds adjacents. (b) représente un diagramme schématique de la chaîne de circuit complète avec 20 cellules unitaires avec des conditions aux limites périodiques (sans limite) ou aux limites ouvertes. (c) Schéma de circuit de la cellule unitaire répétée périodiquement avec deux nœuds internes. Crédit :Lehrstuhl für Theoretische Physik I / Universität Würzburg
Les métamatériaux topologiques sont appliqués comme une nouvelle plate-forme pour explorer et étudier des effets extraordinaires. Au lieu d'utiliser des matériaux naturels, les chercheurs arrangent artificiellement les constituants d'un métamatériau topologique dans une structure régulière. Un tel arrangement est analogue à un état solide dans lequel les atomes forment un réseau cristallin. D'habitude, ces plates-formes sont utilisées pour simuler des propriétés particulières des solides afin de les rendre propices à l'investigation expérimentale.
Physiciens de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, Allemagne, effectuer des recherches sur ces métamatériaux topologiques, un dispositif central du pôle d'excellence Würzburg-Dresde, ct.qmat.
Nouveaux phénomènes topologiques
Un motif connexe de la recherche sur l'état solide à Würzburg est la découverte et la caractérisation de nouveaux phénomènes topologiques. Il s'agit de l'étude des isolants topologiques, qui sont isolants dans la masse, mais présentent des états de surface conducteurs. Les scientifiques du monde entier se livrent à des recherches intensives sur ces matériaux car ils présentent des phénomènes physiques fascinants. Un jour, cette recherche peut conduire à des avancées dans la technologie des semi-conducteurs ou dans d'autres domaines.
Les chercheurs de JMU rendent compte de leurs derniers résultats dans la revue Physique de la nature . Les isolants topologiques sont généralement considérés comme des systèmes isolés (hermitiens). En revanche, les scientifiques peuvent modifier les métamatériaux topologiques afin d'étudier les implications des échanges d'énergie avec l'environnement. Ces interactions influencent le comportement du système de l'extérieur, comme ce serait le cas pour le frottement. Par ici, ils ont vérifié expérimentalement l'effet de peau non hermitien (NHSE) précédemment prédit en théorie.
La cellule unitaire du circuit contient deux nœuds où la tension est mesurée. Il est périodiquement arrangé pour ressembler à la structure cristalline d'un solide. Crédit :Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Tous les états se localisent au bord
Le NHSE implique que, contrairement à un isolant topologique commun, non seulement une petite fraction mais tous les états du matériau apparaissent à son bord, c'est-à-dire y sont localisés. Ceci est décrit par Tobias Helbig et Tobias Hofmann, les premiers auteurs conjoints de la publication. Ils sont tous deux titulaires d'un doctorat. étudiants du groupe de recherche du professeur Ronny Thomale, responsable de la chaire JMU de physique théorique I.
« Nos recherches montrent, entre autres, que les principes physiques connus des systèmes à l'état solide isolés doivent être fondamentalement modifiés dans le cas non hermitien, " expliquent les doctorants. Les nouvelles découvertes n'auraient pas encore d'application directe. Cependant, ils ont le potentiel d'améliorer les détecteurs optiques très sensibles, par exemple.
Les circuits électriques comme pôle d'innovation de la recherche fondamentale
Les expériences menant aux nouveaux résultats ont été menées avec le groupe du Dr Tobias Kießling et la chaire JMU de physique expérimentale III. Des contributions et des idées supplémentaires ont été avancées par le professeur Alexander Szameit de l'Université de Rostock. Les physiciens JMU coopèrent avec l'équipe de Szameit sur le thème de la photonique topologique au sein du pôle d'excellence ct.qmat.
Afin de démontrer expérimentalement l'effet de peau non hermitien, l'équipe JMU a utilisé des circuits électriques avec des éléments disposés périodiquement. En raison de leur ressemblance avec la structure cristalline d'un solide, de tels cadres expérimentaux artificiellement agencés sont classés comme un métamatériau.
Une alimentation en courant est imposée sur le côté gauche d'un circuit de 20 cellules unitaires réalisé par une source de courant externe. Quel que soit le lieu de l'excitation, la distribution de tension culmine au bord droit et décroît exponentiellement vers la gauche, ce qui confirme la localisation de tous les états à la frontière droite. Crédit :Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Applications de la matière topologique en vue
Prospectivement, l'équipe de recherche souhaite approfondir l'interaction entre les états topologiques et la physique non hermitienne. Une question clé sera de savoir dans quelle mesure la protection topologique des états reste intacte lorsque des interactions avec l'environnement sont présentes.
À long terme, l'équipe a l'intention de progresser vers des circuits hybrides quantiques dans lesquels ils prévoient d'intégrer des éléments supraconducteurs ou d'autres circuits de mécanique quantique. De tels circuits offrent une plate-forme polyvalente pour la découverte de nouveaux phénomènes.
"Nous visons à transférer les connaissances des circuits topologiques vers d'autres plates-formes de métamatériaux dans la poursuite d'applications potentielles, ", explique le professeur Thomale. Cela inclut les configurations optiques telles que les guides d'ondes photoniques. Là, les états topologiquement protégés dans les systèmes non hermitiens pourraient s'avérer pertinents dans l'amélioration du traitement du signal et des détecteurs ainsi que dans la construction d'un ordinateur quantique photonique. Finalement, le schéma ultime de la recherche sur les métamatériaux topologiques est la reconnexion de nouveaux effets aux états solides réels.
