Alors que les physiciens plongent plus profondément dans le domaine quantique, ils découvrent un monde infiniment petit composé d'un ensemble étrange et surprenant de liens, de nœuds et d'enroulements. Certains matériaux quantiques présentent des tourbillons magnétiques appelés skyrmions, des configurations uniques décrites comme des "ouragans subatomiques". D'autres hébergent une forme de supraconductivité qui se transforme en tourbillons.

Maintenant, dans un article publié dans Nature une équipe de physiciens dirigée par Princeton a découvert que les électrons de la matière quantique peuvent se lier les uns aux autres de manière étrange et nouvelle. Les travaux rassemblent des idées dans trois domaines scientifiques :la physique de la matière condensée, la topologie et la théorie des nœuds. Ils soulèvent des questions inattendues sur les propriétés quantiques des systèmes électroniques.

La topologie 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, dont Duncan Haldane, professeur Thomas D. Jones de physique mathématique de Princeton et professeur de physique de l'Université Sherman Fairchild, ont reçu le prix Nobel pour leur prédiction théorique de la topologie dans matériel électronique.

Depuis lors, les chercheurs ont cherché à élargir ce domaine de recherche pour créer une compréhension plus approfondie de la mécanique quantique, comme dans le domaine de la "topologie quantique", qui cherche à expliquer l'état d'un électron tel que décrit par une propriété appelée sa fonction d'onde. Ce fut le catalyseur qui a conduit à la recherche actuelle, a déclaré M. Zahid Hasan, professeur de physique Eugene Higgins à l'Université de Princeton et auteur principal de l'étude.

"Nous étudions les propriétés liées à la forme des fonctions d'onde des électrons", a déclaré Hasan. "Et nous avons maintenant amené le terrain vers une nouvelle frontière."

La pierre angulaire de cette nouvelle frontière est une structure mécanique quantique connue sous le nom de boucle de Weyl, qui implique l'enroulement de fonctions d'ondes électroniques sans masse dans un cristal. Dans des travaux révolutionnaires précédents, publiés dans Science en 2019, les boucles de Weyl sans masse ont été découvertes dans un composé composé de cobalt, de manganèse et de gallium, de formule chimique Co₂ MnGa. Cette recherche a été dirigée par Hasan et comprenait de nombreux auteurs de la nouvelle étude. À cette époque, ils ont compris que les boucles de Weyl sans masse produisaient des comportements exotiques sous des champs électriques et magnétiques appliqués. Ces comportements ont persisté jusqu'à la température ambiante.

En soi, une boucle de Weyl est un exemple du type d'enroulement de fonction d'onde quantique qui est déjà bien connu. "Les exemples précédents de topologie en physique impliquaient souvent l'enroulement de fonctions d'onde mécaniques quantiques", a déclaré Hasan, qui a dirigé les recherches actuelles. "Ceux-ci ont été au centre de la communauté de la physique pendant au moins la dernière décennie." Ces idées sont dérivées des travaux antérieurs de l'équipe sur les cristaux fabriqués à partir de rhodium et de silicium (RhSi), ainsi que sur des matériaux appelés aimants de Chern fabriqués à partir des éléments terbium, magnésium et étain (TbMn₆ Sn₆ ). Ces deux découvertes ont été menées par le groupe du professeur Hasan et rapportées dans Nature en 2019 puis dans Nature en 2020.

Cependant, le cas de Co₂ MnGa s'est avéré être différent de l'enroulement de fonction d'onde considéré dans les théories topologiques conventionnelles. "Ici, à la place, nous avons des boucles liées - notre topologie nouée nouvellement découverte est d'une nature différente et donne lieu à différents nombres de liaison mathématiques", a déclaré Tyler Cochran, étudiant diplômé du département de physique de Princeton et co-auteur de la nouvelle étude. /P>

Le Co₂ Les matériaux MnGa ont été cultivés par le professeur Claudia Felser et son équipe à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne.

Une idée essentielle est venue lorsque l'équipe de Princeton a calculé et compris que certains matériaux quantiques tels que Co₂ MnGa pourrait héberger plusieurs boucles Weyl en même temps. "Lorsque plusieurs boucles de Weyl coexistent, il devient naturel de se demander si elles peuvent se relier et se nouer de certaines manières", a déclaré Hasan.

Cette prise de conscience par l'équipe de Hasan a suscité des questions fondamentales sur les boucles de Weyl liées et a réuni une équipe d'experts du monde entier en spectroscopie de photoémission, en topologie mathématique, en synthèse de matériaux quantiques et en calculs quantiques de base pour mieux comprendre la topologie des liens et le nouage dans la matière quantique. .

Pour observer expérimentalement le lien, l'équipe internationale a collaboré pendant plus de cinq ans pour développer ses travaux antérieurs sur les aimants topologiques. L'équipe a réalisé des expériences avancées de spectroscopie de photoémission dans des installations de rayonnement synchrotron de pointe aux États-Unis, en Suisse, au Japon et en Suède.

"Cela s'est avéré être un casse-tête fascinant qui nous a tenus en haleine pendant un certain temps", a déclaré Ilya Belopolski, auteur principal de l'étude, ancien étudiant diplômé du laboratoire de Hasan à l'Université de Princeton et maintenant chercheur postdoctoral au RIKEN Center for Emergent Matter. Science près de Tokyo, Japon. "Démêler les subtilités de cette structure quantique liée élaborée elle-même a nécessité plus de trois ans de mesures de haute précision et d'ultra-haute résolution dans les principales installations spectroscopiques du monde."

L'analyse des données expérimentales a révélé un objet contre-intuitif replié sur lui-même et s'enroulant sur un tore de dimension supérieure. "Comprendre la structure de l'objet a nécessité un nouveau pont entre la mécanique quantique, la topologie mathématique et la théorie des nœuds", a déclaré Guoqing Chang, un auteur de l'étude qui est maintenant professeur adjoint de physique à l'Université technologique de Nanyang à Singapour. Alors qu'il était un ancien chercheur postdoctoral travaillant avec Hasan à Princeton, Chang a dirigé l'une des premières études théoriques sur la topologie des liens en 2017 dans un travail pionnier dans Physical Review Letters .

En fait, l'équipe de recherche a découvert que la théorie quantique des matériaux existante était incapable d'expliquer de manière adéquate l'émergence de cette structure. Mais la théorie des nœuds, ont-ils reconnu, pourrait contenir des indices.

"Nous avons réalisé que certains aspects de la théorie des nœuds sont très puissants pour expliquer les propriétés quantiques des matériaux topologiques qui n'étaient pas comprises auparavant", a déclaré Hasan. "C'est le premier exemple que nous connaissons d'application de la théorie des nœuds pour comprendre le comportement des aimants topologiques. Et c'est très excitant."

Les découvertes poursuivent et prolongent la conversation de plusieurs décennies entre la physique et la topologie, apportant cette fois de nouvelles idées mathématiques pour expliquer les expériences sur les ferromagnétiques quantiques. "Historiquement, certaines des découvertes scientifiques les plus importantes sont survenues lorsque les humains ont remarqué de nouveaux liens entre les mathématiques et les phénomènes naturels. Il est toujours excitant de trouver des exemples inattendus de mathématiques subtiles dans nos expériences", a déclaré Hasan. "Plus encore, il était intéressant que le lien mathématique se situe dans le domaine de la topologie, qui a continué à émerger à maintes reprises sous différentes formes dans l'étude des matériaux quantiques."

Les chercheurs ont l'intention d'étendre leurs recherches dans de multiples directions. Bien que Hasan et son équipe aient concentré leurs efforts sur le comportement des aimants topologiques, ils soutiennent que la théorie a le potentiel d'aider à expliquer d'autres comportements quantiques. "Nous pensons que la théorie des nœuds peut également être appliquée à de nombreux autres conducteurs topologiques, supraconducteurs, qubits et bien d'autres choses", a-t-il déclaré.

Et bien que les chercheurs ne pensaient pas aux applications pratiques - "Nous étions impliqués dans la recherche fondamentale", a souligné Hasan - leurs idées pourraient aider au développement de l'informatique quantique, en particulier au développement de nouveaux types de qubits topologiques. + Explorer plus loin

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