Les électrons habitent un monde étrange et sens dessus dessous. Ces particules infiniment petites n'ont jamais cessé d'étonner et de mystifier malgré plus d'un siècle que les scientifiques les ont étudiées. Maintenant, dans une tournure encore plus étonnante, les physiciens ont découvert que, sous certaines conditions, les électrons en interaction peuvent créer ce qu'on appelle des « états quantiques topologiques ». Cette trouvaille, qui a été récemment publié dans la revue La nature , a des implications pour de nombreux domaines d'études technologiques, notamment les technologies de l'information.

Les états topologiques de la matière sont des classes particulièrement intrigantes de phénomènes quantiques. Leur étude combine la physique quantique avec la topologie, qui est la branche des mathématiques théoriques qui étudie les propriétés géométriques qui peuvent être déformées mais pas intrinsèquement modifiées. Les états quantiques topologiques ont attiré l'attention du public pour la première fois en 2016 lorsque trois scientifiques - Duncan Haldane de Princeton, qui est le professeur de physique mathématique Thomas D. Jones de Princeton et le professeur de physique de l'Université Sherman Fairchild, avec David Thouless et Michael Kosterlitz, ont reçu le prix Nobel pour leur travail dans la découverte du rôle de la topologie dans les matériaux électroniques.

"La dernière décennie a vu beaucoup d'enthousiasme pour les nouveaux états quantiques topologiques des électrons, " a déclaré Ali Yazdani, la classe de 1909 professeur de physique à Princeton et l'auteur principal de l'étude. "La plupart de ce que nous avons découvert au cours de la dernière décennie s'est concentré sur la façon dont les électrons obtiennent ces propriétés topologiques, sans penser qu'ils interagissent les uns avec les autres."

Mais en utilisant un matériau connu sous le nom de graphène bicouche torsadé à angle magique, Yazdani et son équipe ont pu explorer comment des électrons en interaction peuvent donner naissance à des phases surprenantes de la matière.

Les propriétés remarquables du graphène ont été découvertes il y a deux ans lorsque Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) l'ont utilisé pour induire la supraconductivité, un état dans lequel les électrons circulent librement sans aucune résistance. La découverte a été immédiatement reconnue comme une nouvelle plate-forme matérielle pour explorer des phénomènes quantiques inhabituels.

Yazdani et ses collègues chercheurs ont été intrigués par cette découverte et ont entrepris d'explorer davantage les subtilités de la supraconductivité.

Mais ce qu'ils ont découvert les a conduits sur un chemin différent et inexploré.

"C'était un détour merveilleux qui est sorti de nulle part, " a déclaré Kevin Nuckolls, l'auteur principal de l'article et un étudiant diplômé en physique. "C'était totalement inattendu, et quelque chose que nous avons remarqué qui allait être important."

A l'instar de Jarillo-Herrero et de son équipe, Yazdani, Nuckolls et les autres chercheurs ont concentré leur enquête sur le graphène bicouche torsadé.

"C'est vraiment un matériau miracle, ", a déclaré Nuckolls. "C'est un réseau bidimensionnel d'atomes de carbone qui est un excellent conducteur électrique et qui est l'un des cristaux les plus solides connus."

Le graphène est produit d'une manière trompeusement simple mais minutieuse :un cristal de graphite en vrac, le même graphite pur aux crayons, est exfolié à l'aide de ruban adhésif pour enlever les couches supérieures jusqu'à ce qu'il atteigne finalement une couche de carbone mince d'un seul atome, avec des atomes disposés en un réseau plat en nid d'abeille.

Pour obtenir l'effet quantique souhaité, les chercheurs de Princeton, à la suite des travaux de Jarillo-Herrero, placé deux feuilles de graphène l'une sur l'autre avec la couche supérieure légèrement inclinée. Cette torsion crée un motif moiré, qui ressemble et porte le nom d'un dessin textile français commun. Le point important, cependant, est l'angle auquel la couche supérieure de graphène est positionnée :précisément 1,1 degré, l'angle « magique » qui produit l'effet quantique.

"C'est un bug si étrange dans la nature, " Nuckolls a dit, "que c'est exactement cet angle qui doit être atteint." Angle de la couche supérieure de graphène à 1,2 degrés, par exemple, ne produit aucun effet.

Les chercheurs ont généré des températures extrêmement basses et créé un léger champ magnétique. Ils ont ensuite utilisé une machine appelée microscope à effet tunnel, qui repose sur une technique appelée « effet tunnel quantique » plutôt que sur la lumière pour visualiser le monde atomique et subatomique. Ils ont dirigé la pointe métallique conductrice du microscope sur la surface du graphène tordu à l'angle magique et ont pu détecter les niveaux d'énergie des électrons.

Ils ont découvert que le graphène à angle magique modifiait la façon dont les électrons se déplaçaient sur la feuille de graphène. "Cela crée une condition qui oblige les électrons à être à la même énergie, " a déclaré Yazdani. " Nous appelons cela un " groupe plat ". "

Lorsque les électrons ont la même énergie - sont dans un matériau à bande plate - ils interagissent très fortement les uns avec les autres. "Cette interaction peut amener les électrons à faire beaucoup de choses exotiques, " a déclaré Yazdani.

Une de ces choses "exotiques", les chercheurs ont découvert, était la création d'états topologiques inattendus et spontanés.

"Cette torsion du graphène crée les bonnes conditions pour créer une interaction très forte entre les électrons, " a expliqué Yazdani. " Et cette interaction favorise de manière inattendue les électrons à s'organiser en une série d'états quantiques topologiques. "

Spécifiquement, ils ont découvert que l'interaction entre les électrons crée ce qu'on appelle des isolants topologiques. Ce sont des dispositifs uniques qui agissent comme des isolants dans leurs intérieurs, ce qui signifie que les électrons à l'intérieur ne sont pas libres de se déplacer et ne conduisent donc pas l'électricité. Cependant, les électrons sur les bords sont libres de se déplacer, ce qui signifie qu'ils sont conducteurs. De plus, en raison des propriétés particulières de la topologie, les électrons circulant le long des bords ne sont gênés par aucun défaut ou déformation. Ils s'écoulent en continu et contournent efficacement les contraintes, telles que les minuscules imperfections de la surface d'un matériau, qui entravent généralement le mouvement des électrons.

Au cours des travaux, Le groupe expérimental de Yazdani a fait équipe avec deux autres Princetoniens :Andrei Bernevig, professeur de physique, et Biao Lian, professeur adjoint de physique - pour comprendre le mécanisme physique sous-jacent à leurs découvertes.

"Notre théorie montre que deux ingrédients importants - les interactions et la topologie - qui, dans la nature, semblent pour la plupart découplés l'un de l'autre, combiner dans ce système, " a déclaré Bernevig. Ce couplage crée les états d'isolant topologiques qui ont été observés expérimentalement.

Bien que le domaine de la topologie quantique soit relativement nouveau, il a un grand potentiel pour révolutionner les domaines de l'électrotechnique, science des matériaux et surtout informatique.

"Les gens parlent beaucoup de sa pertinence pour l'informatique quantique, où vous pouvez utiliser ces états quantiques topologiques pour créer de meilleurs types de bits quantiques, " Yazdani a déclaré. " La motivation de ce que nous essayons de faire est de comprendre comment l'information quantique peut être codée à l'intérieur d'une phase topologique. La recherche dans ce domaine produit une nouvelle science passionnante et peut avoir un impact potentiel sur l'avancement des technologies de l'information quantique. »

Yazdani et son équipe poursuivront leurs recherches pour comprendre comment les interactions des électrons donnent naissance à différents états topologiques.

"L'interaction entre la topologie et la supraconductivité dans ce système matériel est assez fascinante et c'est quelque chose que nous essaierons de comprendre ensuite, " a déclaré Yazdani.