Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie et des collaborateurs du Laboratoire national de Brookhaven et de l'Université de l'Alabama à Birmingham ont découvert un nouvel interrupteur induit par la lumière qui tord le réseau cristallin du matériau, allumer un courant d'électrons géant qui semble être presque sans dissipation. La découverte a été faite dans une catégorie de matériaux topologiques très prometteuse pour la spintronique, transistors à effet topologique, et l'informatique quantique.

Les semi-métaux de Weyl et Dirac peuvent héberger des espèces exotiques, presque sans dissipation, propriétés de conduction électronique qui tirent parti de l'état unique du réseau cristallin et de la structure électronique du matériau qui protège les électrons de le faire. Ces canaux de transport d'électrons anormaux, protégé par la symétrie et la topologie, ne se produisent normalement pas dans les métaux conventionnels tels que le cuivre. Après des décennies de description uniquement dans le contexte de la physique théorique, il y a un intérêt croissant pour la fabrication, explorant, raffinage, et le contrôle de leurs propriétés électroniques protégées topologiquement pour les applications de dispositifs. Par exemple, L'adoption à grande échelle de l'informatique quantique nécessite la construction de dispositifs dans lesquels les états quantiques fragiles sont protégés des impuretés et des environnements bruyants. Une approche pour y parvenir consiste à développer le calcul quantique topologique, dans lequel les qubits sont basés sur des courants électriques sans dissipation « protégés par la symétrie » qui sont immunisés contre le bruit.

"Torsion du treillis induite par la lumière, ou un interrupteur phononique, peut contrôler la symétrie d'inversion cristalline et photogénérer un courant électrique géant avec une très faible résistance, " a déclaré Jigang Wang, scientifique principal au laboratoire Ames et professeur de physique à l'Iowa State University. "Ce nouveau principe de contrôle ne nécessite pas de champs électriques ou magnétiques statiques, et a des vitesses beaucoup plus rapides et un coût énergétique inférieur."

"Cette découverte pourrait être étendue à un nouveau principe de calcul quantique basé sur la physique chirale et le transport d'énergie sans dissipation, qui peut fonctionner à des vitesses beaucoup plus rapides, coût énergétique inférieur et température de fonctionnement élevée." a déclaré Liang Luo, un scientifique du laboratoire Ames et premier auteur de l'article.

Wang, Luo, et leurs collègues ont accompli exactement cela, en utilisant la spectroscopie de lumière laser térahertz (un billion de cycles par seconde) pour examiner et pousser ces matériaux à révéler les mécanismes de commutation de symétrie de leurs propriétés.

Dans cette expérience, l'équipe a modifié la symétrie de la structure électronique du matériau, en utilisant des impulsions laser pour tordre la disposition en treillis du cristal. Cet interrupteur d'éclairage active des "points Weyl" dans le matériau, amenant les électrons à se comporter comme des particules sans masse qui peuvent transporter le protégé, faible courant de dissipation recherché.

"Nous avons obtenu ce courant sans dissipation géant en entraînant des mouvements périodiques d'atomes autour de leur position d'équilibre afin de briser la symétrie d'inversion cristalline, " dit Ilias Perakis, professeur de physique et chaire à l'Université d'Alabama à Birmingham. "Ce principe de contrôle de transport et de topologie de semi-métal Weyl induit par la lumière semble être universel et sera très utile dans le développement de l'informatique et de l'électronique quantiques futures à haute vitesse et à faible consommation d'énergie."

"Ce qui nous manquait jusqu'à présent, c'est un commutateur à faible énergie et rapide pour induire et contrôler la symétrie de ces matériaux, " dit Qiang Li, Chef de groupe du groupe Advanced Energy Materials du Brookhaven National Laboratory. "Notre découverte d'un commutateur de symétrie de lumière ouvre une opportunité fascinante de transporter un courant d'électrons sans dissipation, un état topologiquement protégé qui ne s'affaiblit pas ou ne ralentit pas lorsqu'il se heurte aux imperfections et aux impuretés du matériau."

La recherche est discutée plus en détail dans l'article "Un commutateur de symétrie phononique induit par la lumière et un photocourant topologique sans dissipation géant dans ZrTe5, " Publié dans Matériaux naturels .