Etudier les propriétés topologiques des électrons
Publié par Redbran le 03/10/2019 à 14:00
Source: CEA
Selon une collaboration internationale impliquant des chercheurs de l'Irig, il est possible de révéler les propriétés "topologiques" des états électroniques du graphène en greffant à sa surface un atome d'hydrogène et en sondant la densité électronique par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre...) tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages hydrauliques...) à son voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...). Une voie inédite d'investigation pour mieux comprendre les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) topologiques, ainsi que leurs remarquables propriétés électriques et optiques.


À gauche, une reconstruction 3D de l'image obtenue par microscopie à effet tunnel. On voit à droite de l'image une représentation artistique de la pointe qui sert à la mesure de cette image. Le dôme () doré correspond à l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Les ondulations observées loin de cet atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) proviennent du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) atomique du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). D'autres oscillations liées à la réorganisation des électrons se superposent au voisinage de l'atome d'hydrogène.
À droite: le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) est extrait et amplifié. On observe deux rangées supplémentaires dans les fronts d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...): les dislocations. Ces dislocations sont la matérialisation dans l'espace réel de la singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :) topologique du graphène.

Dans le graphène, le comportement ultra-relativiste des électrons est associé à une propriété topologique de leurs fonctions d'onde. Une équipe internationale dont des physiciens 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 (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Grenoble Alpes, de l'Université de Bordeaux (Cette page est consacrée au PRES Université de Bordeaux. Pour les pages sur les universités, voir Université Bordeaux I, Université Bordeaux II, Université Bordeaux III, Université Bordeaux IV; pour la page sur...), du CEA et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), proposent une nouvelle approche de microscopie à effet tunnel pour mesurer cette propriété topologique dans la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) électronique au voisinage d'un atome d'hydrogène greffé sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...). Publiée ce 30 septembre 2019 dans la revue Nature, cette avancée conceptuelle ouvre une nouvelle voie pour étudier les propriétés topologiques des états électroniques par microscopie à effet tunnel, et comprendre ainsi comment elles affectent les propriétés électriques et optiques des matériaux.

La représentation du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) à la surface du globe par les fuseaux horaires pose le problème suivant: quelle heure (L'heure est une unité de mesure  :) est-il au pôle Nord (Le pôle Nord géographique terrestre, ou simplement pôle Nord, est le point le plus septentrional de la planète Terre. Il est défini comme le point d’intersection de l'axe de rotation de la Terre avec la...) où tous les fuseaux se rejoignent ? Y serait-il toutes les heures en même temps ? Le pôle Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) est ici un point (Graphie) où l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y...) apparaît mal définie dans cette représentation, un point singulier. Une manière de révéler ce point singulier consiste à imaginer, comme le fait Jules Verne (Jules Verne, né le 8 février 1828 à Nantes et mort le 24 mars 1905 à Amiens, est un écrivain français, dont une grande partie de l'œuvre est consacrée à des romans...) dans son roman Le tour du monde (Le mot monde peut désigner :) en quatre-vingts jours, un voyageur qui ferait le tour de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), par exemple vers l'Est. Lors de son périple (Avant de désigner un voyage (agréable ou non, court ou long, sur mer ou non, effectif ou spirituel) et ce que celui-ci peut compter comme escales, rencontres et...), ce voyageur parcourt ainsi les 24 fuseaux horaires. S'il avance sa montre d'une heure à chaque fuseau qu'il traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules...), il observera à son retour une différence d'un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) par rapport à une horloge restée sur place. Cette différence, qui est la clé du retournement final du livre de Jules Vernes, est d'autant plus remarquable qu'elle est insensible aux détails du chemin emprunté par le voyageur, comme la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.). Elle dépend seulement du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de tours effectués autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) du pôle Nord. Une telle propriété est dite “topologique”.

En 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 connaissance de la...) quantique, les propriétés topologiques jouent un rôle prépondérant dans la caractérisation de nouveaux états électroniques. Par exemple, les électrons de faible 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.) dans une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au...) d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique...), le graphène, s'apparentent à des particules évoluant à vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...). Ce comportement ultra-relativiste est aussi caractérisé par une propriété topologique, associée à une sorte de pôle Nord dans un espace abstrait. Or, les électrons possèdent une horloge interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...): la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de leurs fonctions d'onde. Comme le voyageur de Jules Vernes, c'est donc en forçant les électrons à tourner autour de ce pôle Nord, à l'aide d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) que les physiciens révélèrent l'existence de ce point singulier. La phase acquise le long de la révolution se traduit par un 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 engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.) quantique 'anormal' observé dans la résistance électrique du graphène. Ceci constitua une preuve de l'existence de particules ultra-relativistes dans 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 sélectionnée en raison...) et contribua à l'attribution du prix Nobel de Physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures...) 2010.

Néanmoins, de telles mesures sous champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique requièrent des échantillons très purs et les propriétés topologiques restent en pratique difficiles d'accès. L'équipe internationale présente dans la revue Nature une nouvelle méthode qui permet de mesurer cette propriété topologique dans le graphène sans champ magnétique. Cette méthode est un saut conceptuel, car elle ne nécessite pas de forcer les électrons à voyager autour de leur pôle nord. Les chercheurs ont montré que l'on peut matérialiser directement ce pôle Nord abstrait à la surface du matériau, en y déposant un atome d'hydrogène. En étudiant avec un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de...) comment les électrons se réorganisent autour de l'atome d'hydrogène, ils ont observé des dislocations dans la densité électronique (voir figure). Ils ont ensuite montré que le nombre de fronts d'onde additionnels est une mesure de la propriété topologique des électrons du graphène. Cette avancée conceptuelle ouvre une nouvelle voie pour étudier les propriétés topologiques des états électroniques par microscopie, et comprendre ainsi comment elles affectent les propriétés électriques et optiques des matériaux.

Références publication:
Dutreix C, Gonzalez-Herrero H, Brihuega I, Katsnelson MI, Chapelier C and Renard (Renard est un terme ambigu qui désigne le plus souvent en français certains canidés du genre Vulpes, proches du loup et du chien. Mais, par similitude physique, le...) VT
Measuring graphene's Berry phase from wavefront dislocations in Friedel oscillations.
Nature, 2019
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