Un dispositif expérimental pour mesurer l'effet Hall conventionnel avec un champ magnétique perpendiculaire à la surface. Crédit :FLOTTE
Une étude théorique de FLEET publiée cette semaine a trouvé un « pistolet fumant » dans la longue recherche du monopole magnétique topologique appelé courbure de Berry.
Cette découverte est une percée dans la recherche d'effets topologiques dans les systèmes hors équilibre.
Le groupe, dirigé par Dimi Culcer à UNSW, identifié un effet Hall non conventionnel entraîné par un champ magnétique dans le plan dans les systèmes de trous de semi-conducteurs, qui est attribuée exclusivement à la courbure du Berry.
(Inversement, l'effet Hall ordinaire et l'effet Hall anormal nécessitent tous deux un champ magnétique/magnétisation perpendiculaire à la surface.)
Des effets topologiques améliorés permettraient une électronique topologique à basse énergie viable à grande échelle, fonctionnement à température ambiante, et ont récemment été inclus dans la feuille de route IEEE vers l'électronique du futur.
Isoler la réponse un moment décisif
« Isoler les réponses topologiques dans les « conducteurs réguliers » a été une tâche historiquement difficile, ", déclare le chef de l'équipe de recherche A/Prof Dimi Culcer (UNSW). Même si ces réponses topologiques sont considérées comme omniprésentes dans les solides."
Réponses quantifiées, tels que les effets Hall quantique et spin-Hall quantique fournissent une empreinte claire de la topologie, pourtant ceux-ci n'ont été observés que dans des systèmes unidimensionnels (1D) et sont intimement liés à l'existence d'états de bord.
Dans les conducteurs « réguliers », c'est-à-dire les systèmes 2D et 3D, il existe de nombreuses littératures théoriques prédisant les contributions topologiques à, par ex. l'effet Hall anormal, mais ceux-ci n'ont jamais été observés sans ambiguïté dans une mesure de transport.
Il y a deux raisons principales à cela :(i) les électrons de spin-up et de spin-down font généralement des contributions opposées, et ceux-ci s'annulent presque; (ii) tout ce qui reste est submergé par le désordre.
Réponse de la conductivité Hall au champ magnétique. Crédit :FLOTTE
Le nouveau papier FLEET remédie à cette lacune de longue date en identifiant un système bidimensionnel dans lequel la courbure du Berry, et seulement la courbure du Berry, est responsable du signal Hall linéaire dans le champ magnétique appliqué dans le plan.
"Remarquablement, toutes les contributions au désordre disparaissent :nous ne connaissons aucun autre système multidimensionnel dans lequel cela soit vrai, " dit l'auteur principal, Doctorat UNSW étudiant James Cullen. « Sa mesure expérimentale est accessible à tout laboratoire de pointe dans le monde, par conséquent, nous nous attendons à un fort intérêt de la part des expérimentateurs."
Courbure des baies, l'effet Hall anormal et les matériaux topologiques
L'équipe de recherche a recherché la trace mathématique révélatrice appelée « courbure des baies, " ce qui peut être compris si l'on pense au concept de transport parallèle qui apparaît systématiquement en géométrie et en relativité générale.
"Pensez à un vecteur comme une flèche que nous plaçons quelque part sur la surface d'un objet solide, " explique Dimi. " Maintenant, nous déplaçons la flèche, s'assurer qu'il pointe toujours sous le même angle par rapport à la surface - c'est en fait comme un être humain marchant le long de la surface de la Terre. Nous ramenons finalement la flèche au point de départ après qu'elle ait fait le tour, et nous trouvons que, en général, il pointe dans une direction différente - il a tourné comme par magie d'un certain angle. La taille de cet angle est déterminée par la courbure de la surface. "
En mécanique quantique, au lieu de vecteurs, nous avons des fonctions d'onde, mais nous pouvons décrire la dynamique en utilisant la même image, et la courbure est appelée la courbure de Berry.
L'angle de rotation est remplacé par la fameuse phase Berry, nommé d'après le physicien mathématicien Prof Sir Michael Berry, qui a formulé le problème dans les années 1980. Plus tard, s'appuyant sur les travaux du lauréat du prix Nobel David Thouless, Qian Niu de l'UT Austin a montré que la courbure de Berry se comporte comme le monopole magnétique convoité, mais pas dans l'espace réel, plutôt dans l'espace d'impulsion, qui est l'espace dans lequel la plupart des physiciens de la matière condensée pensent.
La courbure de Berry entraîne des effets topologiques dans les systèmes hors équilibre, car lorsqu'un champ électrique est appliqué, un électron est accéléré, donc son élan change. Lorsque cela se produit, sa fonction d'onde change lentement, de la même manière que la "flèche" est tournée en transport parallèle, et à la suite de cette rotation progressive, un courant transversal (Hall) est généré. Les relations Onsager, fondamentaux de la physique hors équilibre, dire que le courant de Hall ne dissipe pas d'énergie. Le cas extrême est l'effet Hall anormal quantique (QAHE), un effet quantique clé de la fonction des matériaux topologiques, dans lequel les courants de bord peuvent circuler avec une résistance électrique effectivement nulle.
(« Quantum » décrit une transition en « étape » dans la résistance transversale (Hall), c'est-à-dire il varie par étapes discrètes plutôt que progressivement, tandis que « anormal » fait référence à l'apparition du phénomène en l'absence de tout champ magnétique appliqué.)
Les chercheurs cherchent à améliorer QAHE afin de protéger le comportement topologique à des températures plus élevées, permettant une électronique topologique qui serait viable pour un fonctionnement à température ambiante.
« La réduction significative de la résistance électrique permise par le QAHE à température ambiante nous permettrait de réduire considérablement la consommation électrique des appareils électroniques, " dit Dimi.
