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Posté par Isabelle le Samedi 18/12/2010 à 12:00
Une phase exotique sur une puce atomique
Le développement des technologies modernes est basé sur une compréhension approfondie des propriétés de transport au sein de la matière. Les appareils électroniques et les ordinateurs reposent en effet sur la possibilité de générer et de contrôler des courants d'électrons, particules présentes en abondance dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). En exploitant leur charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) ainsi que leurs réponses aux champs électromagnétiques, ces particules sont minutieusement guidées le long de circuits formés de matériaux conducteurs. Le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des...) d'information dont nous bénéficions quotidiennement est ainsi associé à une propriété intrinsèque de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.): sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...). Outre sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) et sa charge, l'électron possède une autre propriété dont l'existence ne fut dévoilée qu'avec l'élaboration de la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de physique...). Cette propriété, appelée spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...), peut être imaginée comme provenant d'une rotation fictive de la particule sur elle-même et joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle fondamental pour l'étude du magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits...). Contrairement à sa charge, le spin de l'électron peut prendre deux valeurs distinctes et contient ainsi une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) d'information plus importante. En maîtrisant ce degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) supplémentaire, des chercheurs envisagent une révolution des technologies modernes, communément appelée spintronique. Aujourd'hui, la réalisation et le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des courants de spins représentent un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en plein développement.


Réalisation de courants de spins sur une puce atomique - Illustration: ULB

En 2007, une nouvelle famille de matériaux, nommés isolants topologiques, fut mise en évidence au laboratoire [Laboratoire dirigé par H. Buhmann à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Wurzburg]. Contrairement aux isolants habituels, qui ne conduisent pas de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein...), ceux-ci présentent des courants de spins qui circulent le long du bord des échantillons. De façon remarquable, ce transport de spins s'effectue sans perte d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et se révèle extrêmement robuste face à des perturbations exercées sur le système. La robustesse de ce phénomène, nommé "effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique...) quantique de spin", s'explique de façon élégante au niveau théorique: lorsqu'il se manifeste, le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) entre dans une nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) caractérisée par un invariant topologique (un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) mathématique qui ne peut changer de valeur sous de petites déformations). Cette phase particulière de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) est exotique, dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) où elle ne peut être classée selon les critères habituels développés par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) des transitions de phases.

Les matériaux caractérisés par l'effet Hall quantique de spin présentent malheureusement de nombreuses imperfections, comme des impuretés ou des interactions accidentelles entre les particules. Ces défauts masquent de façon considérable certains effets intéressants et rendent difficile l'application des isolants topologiques dans l'industrie. Une meilleure compréhension des isolants topologiques requière ainsi des dispositifs plus propres et maniables.

Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) froids, des atomes piégés et refroidis par des lasers, constituent un terrain de jeu idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) pour explorer les phases exotiques de la matière. Ces systèmes artificiels offrent en effet la possibilité de contrôler les interactions entre les particules et ne comportent pas d'impureté, contrairement aux matériaux classiques. Dans ce sens, les atomes froids sont des simulateurs quantiques qui exploitent des technologies expérimentales de pointe. En particulier, ces systèmes permettent de manipuler les spins des atomes avec une grande précision. Reproduire des isolants topologiques en contrôlant la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de ces atomes froids offrirait une approche idéale de l'effet Hall quantique de spin au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) d'un laboratoire.

Dans un article récemment accepté dans la prestigieuse revue Physical Review Letters, une équipe de chercheurs internationale décrit une telle expérience. Ce travail est le résultat d'une collaboration réunissant des théoriciens [N. Goldman (Université Libre de Bruxelles), A. Bermudez, M. A. Martin-Delgado (Universidad Complutense, Madrid), M. Lewenstein (Institut des Sciences Photoniques-ICFO, Barcelone), I. Satija, P. Nikolic (NIST, Maryland, USA)] et l'expérimentateur I. Spielman du National Institute of Standards and Technology (NIST). Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...), ils ont élaboré un dispositif ingénieux permettant de produire des isolants topologiques en manipulant des atomes froids placés sur une puce. Celle-ci contient de nombreux fils électriques créant des champs magnétiques complexes, qui à leur tour confinent et dirigent le mouvement des atomes. En contrôlant ces champs magnétiques, sur base de méthodes expérimentales (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) développées par I. Spielman au NIST, ces auteurs montrent que le système atomique peut entrer dans une phase topologique caractérisée par l'effet Hall quantique de spin. Les auteurs proposent également une méthode efficace pour détecter les courants de spin qui émergent dans ce nouveau contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...).

La réalisation de liquides topologiques avec des atomes froids approfondira nos connaissances de ces phases exotiques et guidera très certainement le développement de la spintronique et de la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) quantique.

References
Realistic Time-Reversal Invariant Topological Insulators With Neutral Atoms (to appear in Physical Review Letters)
Authors: N. Goldman, I. Satija, P. Nikolic, A. Bermudez, M. A. Martin-Delgado, M. Lewenstein and I. B. Spielman.
Preprint: arXiv:1011.3909
Contact information: Dr. Nathan Goldman, ngoldman@ulb.ac.be


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Source et illustration: ULB
 
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