Dans une nouvelle expérience, les physiciens ont observé des effets de cohérence quantique à longue portée dus à l'interférence Aharonov-Bohm dans un dispositif topologique basé sur un isolant. Cette découverte ouvre un nouveau domaine de possibilités pour le développement futur de la physique et de l'ingénierie quantiques topologiques.
Cette découverte pourrait également affecter le développement de l'électronique basée sur le spin, qui pourrait potentiellement remplacer certains systèmes électroniques actuels pour une efficacité énergétique plus élevée et pourrait fournir de nouvelles plates-formes pour explorer la science de l'information quantique.
La recherche, publiée dans le numéro du 20 février de Nature Physics est le point culminant de plus de 15 années de travail à Princeton. Cela s'est produit lorsque les scientifiques de Princeton ont développé un dispositif quantique appelé bromure de bismuth (α-Bi4 Br4 ) isolant topologique de seulement quelques nanomètres d'épaisseur et je l'ai utilisé pour étudier la cohérence quantique.
Les scientifiques utilisent des isolants topologiques depuis plus d’une décennie pour démontrer de nouveaux effets quantiques. L'équipe de Princeton a développé son isolant à base de bismuth lors d'une expérience précédente où elle a démontré son efficacité à température ambiante.
Mais cette nouvelle expérience est la première fois que ces effets sont observés avec une cohérence quantique à très longue portée et à une température relativement élevée. L'induction et l'observation d'états quantiques cohérents nécessitent généralement des températures proches du zéro absolu sur des matériaux semi-conducteurs conçus artificiellement uniquement en présence de champs magnétiques puissants.
"Nos expériences fournissent des preuves irréfutables de l'existence d'une cohérence quantique à longue portée dans les modes charnières topologiques, ouvrant ainsi de nouvelles voies vers le développement de circuits topologiques et utilisant cette méthode topologique pour explorer et faire progresser la physique fondamentale", a déclaré M. Zahid Hasan. , professeur Eugene Higgins de physique à l'Université de Princeton, qui a dirigé la recherche.
"Contrairement aux appareils électroniques conventionnels, les circuits topologiques sont robustes contre les défauts et les impuretés, ce qui les rend beaucoup moins sujets à la dissipation d'énergie, ce qui est avantageux pour les applications plus écologiques."
Ces dernières années, l’étude des états topologiques de la matière a attiré une attention considérable parmi les physiciens et les ingénieurs et fait actuellement l’objet de nombreux intérêts et recherches au niveau international. Ce domaine d'étude combine la physique quantique et la topologie, une branche des mathématiques théoriques qui explore les propriétés géométriques qui peuvent être déformées mais pas intrinsèquement modifiées.
Le principal dispositif utilisé pour étudier les mystères de la topologie quantique est appelé isolant topologique. Il s’agit d’un dispositif unique qui agit comme un isolant à l’intérieur, 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 situés sur les bords de l'appareil 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. Un type particulier de topologie est également possible dans certains matériaux à base de bismuth où certaines arêtes peuvent être espacées et seules certaines charnières restent conductrices.
Un dispositif constitué de tels matériaux topologiques a le potentiel non seulement d'améliorer la technologie, mais également de générer une meilleure compréhension de la matière elle-même en sondant les propriétés quantiques de manière nouvelle et innovante.
Cependant, jusqu’à présent, l’incapacité d’atteindre de longs temps de cohérence a constitué un obstacle majeur dans la recherche de l’utilisation de ces matériaux pour des applications dans des dispositifs fonctionnels. La cohérence fait référence à la capacité de maintenir les états quantiques de superposition et d'intrication face à des influences perturbatrices, telles que la thermalisation ou d'autres interactions avec l'environnement.
"Les matériaux topologiques suscitent beaucoup d'intérêt et les gens parlent souvent de leur grand potentiel pour des applications pratiques", a déclaré Hasan, "mais jusqu'à ce qu'il soit démontré qu'un effet topologique quantique macroscopique a une cohérence quantique à long terme qui peut également fonctionner à des températures relativement élevées. températures, ces applications resteront probablement non réalisées. Par conséquent, nous sommes à la recherche de matériaux présentant une cohérence quantique à longue portée des électrons topologiques. "
L'équipe de Hasan explore les matériaux topologiques à base de bismuth depuis près de deux décennies. Cependant, l'équipe a récemment découvert que l'isolant au bromure de bismuth possède des propriétés qui le rendent plus idéal que les isolants topologiques à base de bismuth (y compris les alliages Bi-Sb) qu'ils étudiaient depuis 2005. Il présente un grand espace isolant de plus de 200 meV. (milliélectronvolts). C'est suffisamment grand pour surmonter le bruit thermique, mais suffisamment petit pour ne pas perturber l'effet de couplage spin-orbite et la topologie d'inversion de bande.
Les isolants au bromure de bismuth appartiennent à une classe d'isolants topologiques qui présentent également des effets d'ordre élevé dont les surfaces deviennent isolantes, mais les bords d'orientations dictées par une certaine symétrie restent conducteurs. C'est ce qu'on appelle les états charnières qui ont été récemment théorisés par le groupe du collaborateur et co-auteur Titus Neupert à l'Université de Zurich.
"Bien que cela ne soit pas garanti en théorie, après plusieurs années d'expérimentation, nous avons découvert que les états charnières du bromure de bismuth ont une cohérence quantique à très longue portée à une température relativement élevée. Dans ce cas, dans nos expériences basées sur les dispositifs que nous avons fabriqués, nous avons trouvé un équilibre entre les effets de couplage spin-orbite, la cohérence quantique à longue portée et les fluctuations thermiques", a déclaré Hasan.
"Nous avons découvert qu'il existe un "point idéal" où l'on peut avoir un degré relativement élevé de cohérence quantique des modes charnières topologiques tout en fonctionnant à une température relativement élevée. C'est un peu comme un point d'équilibre pour les matériaux à base de bismuth que nous j'étudie depuis près de deux décennies."
À l’aide d’un microscope à effet tunnel, les chercheurs ont observé un état de bord Hall de spin quantique clair, qui est l’une des propriétés importantes qui existent uniquement dans les systèmes topologiques. Cela a nécessité une nouvelle instrumentation supplémentaire pour isoler de manière unique l'effet topologique.
Même si le bismuth abrite un tel état quantique, le matériau lui-même est un semi-métal sans aucune lacune énergétique isolante. Cela rend difficile l’exploration de ses conséquences dans le transport des électrons car, dans le bismuth, les canaux de transport contiennent des électrons provenant à la fois de l’état massif et de l’état charnière. Ils mélangent et brouillent le signal de transport quantique cohérent des états charnières.
Un autre problème est causé par ce que les physiciens appellent le « bruit thermique », qui est défini comme une augmentation de la température telle que les atomes commencent à vibrer violemment. Cette action peut perturber des systèmes quantiques délicats, effondrant ainsi l’état quantique. Dans les isolants topologiques, en particulier, ces températures plus élevées créent une situation dans laquelle les électrons à la surface de l'isolant envahissent l'intérieur, ou « la masse » de l'isolant, et font que les électrons qui s'y trouvent commencent également à conduire, ce qui se dilue ou se brise. l'effet quantique spécial. Les fluctuations thermiques détruisent également la cohérence de phase quantique des électrons.
Mais l’isolant au bromure de bismuth développé par l’équipe a réussi à contourner ce problème ainsi que d’autres. Ils ont utilisé l’appareil pour démontrer le transport quantique cohérent à travers les modes charnières topologiques. Une des caractéristiques du transport quantique cohérent est la manifestation de l'interférence quantique Aharonov-Bohm.
L'interférence Aharonov-Bohm, prédite il y a près de 60 ans (le physicien David Bohm était à Princeton de 1947 à 1951), décrit un phénomène dans lequel une onde quantique est divisée en deux ondes qui parcourent un chemin fermé et interfèrent sous l'influence d'un champ électromagnétique. potentiel.
Le motif d'interférence résultant est déterminé par le flux magnétique entouré par les ondes. Dans le cas des électrons, une telle interférence quantique se produit si les électrons de conduction restent cohérents en phase après avoir parcouru des trajectoires fermées, ce qui entraîne une oscillation périodique de la résistance électrique avec une période caractéristique du champ magnétique ΔB = Φ0 /S, où Φ0 = h/e est le quantum de flux, S est la zone sur laquelle les trajectoires des électrons restent cohérentes en phase, h est la constante de Planck et e est la charge électronique.
Pour les canaux de conduction topologique, toutes les trajectoires cohérentes de phase participant à l'interférence quantique renferment la même zone perpendiculaire au champ B, ce qui est différent des fluctuations de conductance universelle. Ils présentent ici des traces de magnétorésistance du α-Bi4 Br4 échantillons qui montrent des oscillations B-périodiques, caractéristique de l'effet Aharonov-Bohm provenant des porteurs cohérents en phase.
"Pour la première fois, nous avons démontré qu'il existe une classe de dispositifs électroniques topologiques à base de bismuth qui peuvent avoir un degré élevé de cohérence quantique et survivre jusqu'à des températures relativement élevées, ce qui est dû à l'effet d'interférence Aharonov-Bohm provenant de l'effet topologique cohérent en phase. électrons", a déclaré Hasan.
Les racines topologiques de cette découverte résident dans le fonctionnement de l'effet Hall quantique, une forme d'effet topologique qui a fait l'objet du prix Nobel de physique en 1985. Depuis lors, les phases topologiques ont été intensément étudiées.
De nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques dotés de structures électroniques topologiques ont été découvertes, notamment des isolants topologiques, des supraconducteurs topologiques, des aimants topologiques et des semi-métaux de Weyl. Les découvertes expérimentales et théoriques se sont poursuivies.
Daniel Tsui, professeur émérite Arthur Legrand Doty de génie électrique à Princeton, a remporté le prix Nobel de physique 1998 pour sa découverte de l'effet Hall quantique fractionnaire, et F. Duncan Haldane, professeur Eugene Higgins de physique à Princeton, a remporté le prix Nobel 2016. en physique pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et d'un type d'isolateurs topologiques bidimensionnels (2D).
Les développements théoriques ultérieurs ont montré que les isolants topologiques peuvent prendre la forme de deux copies du modèle de Haldane basé sur l'interaction spin-orbite de l'électron.
Hasan et son équipe ont mené une décennie de recherche d'un état quantique topologique capable également de préserver un haut degré de cohérence quantique à une température relativement élevée, suite à la découverte des premiers exemples d'isolants topologiques tridimensionnels en 2007.
Récemment, ils ont trouvé une solution à la conjecture de Haldane dans un matériau topologique capable de fonctionner à température ambiante, qui présente également la quantification souhaitée.
"Une conception de chimie atomique et de structure appropriée couplée à la théorie des premiers principes est l'étape cruciale pour rendre réaliste la prédiction spéculative de l'isolant topologique dans un dispositif permettant de maintenir une cohérence quantique à long terme", a déclaré Hasan.
"Il existe de nombreux matériaux topologiques à base Bi, et nous avons besoin à la fois d'intuition, d'expérience, de calculs spécifiques aux matériaux et d'efforts expérimentaux intenses pour finalement trouver le bon matériau pour une exploration en profondeur dans le cadre d'un appareil. Et cela nous a pris une décennie. un long voyage d'investigation sur certains matériaux à base de bismuth qui semblent finalement fonctionner."
"Nous pensons que cette découverte pourrait être le point de départ de futurs développements en ingénierie quantique et en nanotechnologie", a déclaré Shafayat Hossain, associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Hasan et co-premier auteur de l'étude.
"Il y a eu tellement de possibilités proposées dans la science quantique topologique et la technologie de l'ingénierie qui attendent, et trouver des matériaux appropriés avec de longues propriétés de cohérence quantique couplés à de nouveaux instruments est l'une des clés pour cela. Et c'est ce que nous avons réalisé."
"Si les électrons ne rebondissent pas ou ne sont pas agités, ils ne perdent pas d'énergie", a déclaré Hasan. "Cela crée une base quantique pour les économies d'énergie ou les technologies plus vertes, car elles consomment beaucoup moins d'énergie. Mais nous sommes encore loin d'y parvenir."
Actuellement, l'orientation théorique et expérimentale de l'équipe de Hasan est concentrée dans deux directions, a déclaré Hasan. Premièrement, les chercheurs souhaitent déterminer quels autres matériaux topologiques pourraient présenter un niveau de cohérence quantique similaire ou supérieur et, surtout, fournir à d'autres scientifiques les outils et les nouvelles méthodes d'instrumentation pour identifier ces matériaux qui fonctionneront à des températures plus élevées.
Deuxièmement, les chercheurs souhaitent continuer à approfondir leurs recherches sur le monde quantique et à rechercher une nouvelle physique dans le cadre d’un appareil. Ces études nécessiteront le développement d'un autre ensemble de nouveaux instruments, techniques et dispositifs topologiques pour exploiter pleinement l'énorme potentiel de ces matériaux merveilleux.
Nan Yao, co-auteur de l'article intitulé « Réponse de transport quantique des modes de charnière topologique » et professeur de pratique au Princeton Materials Institute a résumé la recherche en disant :« Ce travail sur les isolateurs topologiques d'ordre supérieur illustre la beauté et importance de découvrir de nouvelles facettes de la nature, telles que la cohérence quantique des états charnières topologiques."
"C'est une découverte qui pourrait potentiellement conduire à des progrès passionnants dans les dispositifs quantiques, et cela me rappelle la célèbre citation d'Einstein :'La plus belle chose que nous puissions expérimenter est le mystérieux. C'est la source de tout art et de toute science véritable.'"
Plus d'informations : Md Shafayat Hossain et al, Réponse de transport quantique des modes charnières topologiques, Physique de la nature (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02388-1
Fourni par l'Université de Princeton
